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原來“0”是個寶貝

2019-03-19 14:07:38沈葉華
科學之謎 2019年1期
關鍵詞:平面坐標古埃及實物

沈葉華

當你看完這篇科普小品文,沒準會拍一下腦袋:“哎呀,又漲知識了,原來0是個寶貝啊”!

“0”表示什么都沒有,看似是數(shù)字中最無足輕重,最讓人看不起的??扇绻幸惶?,0離家出走,拋下1、2、3、4、5、6、7、8、9,我們的生活會立即變樣,全亂套了。鐘表沒有了零時,溫度計沒有了0度,比賽沒有了0進球;沒有了0,就沒有今日的數(shù)學,也沒有物理、化學、工程、金融、天文等各門科學,以及它們所造就的當今人類社會的繁榮興盛。

你可能不知道,說起這個不可或缺的0,可有一段故事了,請讓我慢慢道來。

“0”在數(shù)字中誕生最晚,它的數(shù)字兄弟出生時,它還在娘胎中熟睡。公元前3000年,古巴比倫人(在今日伊拉克)創(chuàng)造了1-59共60個符號數(shù)字,卻沒有單個的0;古埃及人創(chuàng)造了1-10、100、1000等象形數(shù)字,還是沒有單獨的0。

沒有單獨的0,表達大數(shù)就需排列一長串數(shù)字。想表示3244?放在今天,不過寫4個數(shù)字,古埃及人得畫13個符號;想記下21237?今天才5個數(shù)字嘛,可古埃及人得又描又畫15個圖案。

單單寫數(shù)字就這般麻煩,運算它們的困難就可想而知了。大家不妨算算這兩數(shù)之差?

其他遠古文明也都差不多,如:中國、希伯來、阿茲特克(位于今日墨西哥),都創(chuàng)造了自己的數(shù)字,發(fā)展出簡單的運算,卻搗鼓不出單個的0。

過了將近3000年,人類好不容易摸索到0的前身——占位符。原來,當先民想表示102、1002、10002時,由于沒有0,只能將它的位置空出來,寫成1 2、1? 2、1?? 2,但數(shù)字越大,分辨它們越困難;如遇上10、100、1000時,1后全是空位,看上去全都一樣了。于是,巴比倫人、瑪雅人(位于今日中美洲)想出了占位符——在有位數(shù),無數(shù)字的地方放入占位符。

有了占位符,數(shù)字的表達準確多了。但這沒有解決數(shù)字符號復雜多樣,運算繁難的問題。如何令數(shù)字簡單化,運算起來容易、好使?這道數(shù)學大難題擺在人類面前。

誰能為人類找到答案?他們不僅得聰明,還需有靈氣,就像得到神靈的啟示。他們就是印度人。

公元前3世紀,古印度人創(chuàng)造了自己的數(shù)字,使用上占位符,一個實心圓。在隨后的5-7世紀,實心圓開始變空心,占位符晉升正式數(shù)字0,印度數(shù)字逐漸演變?yōu)?-9,共10個數(shù)字。

0被提升為數(shù)字,與9位兄弟平起平坐,引發(fā)了一場數(shù)字革命?,F(xiàn)在,只需將它們兄弟10人的位置挪一挪,換一換,減去幾個,增添幾個,再怎么大、再怎么小的數(shù)字,它們都能表示出來——沒有它們做不到的??蛇€記得巴比倫數(shù)字?為了區(qū)區(qū)兩位數(shù)(1-59),需要60個符號。古埃及人的十幾個圖案,也只能表示有限的數(shù)字。印度數(shù)字就10個,就能包打天下了!

這全歸功于單個的0。單個的0像轉(zhuǎn)子,帶動一個個數(shù)字兄弟,來回跑動,比如:1011,一個四位數(shù)只用兩個數(shù)字(0和1),循環(huán)地使用。沒有轉(zhuǎn)子0,其他單個數(shù)字就循環(huán)不起來。還是這個1011,古埃及人就需要1個千位數(shù)、一個十位數(shù)、一個個位數(shù),共3種圖案。

數(shù)字0能站穩(wěn)腳跟,還得感謝偉大的印度數(shù)學家:婆羅摩笈多。公元7世紀,婆羅摩笈多潛心研究0,并創(chuàng)立它的運算法則,如:1+0=1、1-0=1、1*0=0、0-1=-1、0-(-1)=1、0*(-1)=0等。自此,0能獨立進行運算,與數(shù)字兄弟沒兩樣了。

到7世紀,10個數(shù)字明確后,加減乘除就容易多了,上面的埃及減法算式(又是手指,又是蓮花,又是繩圈),換上今日的阿拉伯數(shù)字(源于印度數(shù)字):21237-3244=17993,兩秒鐘搞定。四則運算,今日都已成為小學生的基本功了。

如此簡單的印度數(shù)字、高效的運算方式怎會棲身一隅?不久,0和兄弟們隨著商貿(mào)往來也“出國游”了,來到中國,去往中東國家,游到哪兒都大受歡迎,總PK掉當?shù)氐臄?shù)字,被保留下來。歷時多年,終于一統(tǒng)世界數(shù)字符號。

9世紀,印度數(shù)字征服了阿拉伯世界,并發(fā)展出“代數(shù)”這個數(shù)學分支。當阿拉伯人把印度數(shù)字轉(zhuǎn)介歐洲,歐洲人“飲水思源”稱它們?yōu)椤鞍⒗當?shù)字”——這張冠李戴直到如今。

阿拉伯數(shù)字的歐洲之行頗不順利,直到15世紀才被準入。但“是金子總會發(fā)光”。不久0就被看中。17世紀,以0,0作原點,畫出了平面坐標。點、直線、拋物線、雙曲線、圓、橢圓等都能在平面坐標上表現(xiàn)出來。平面坐標在當今工程、電腦制圖等領域中應用廣泛。

17世紀中后期,從0/0啟發(fā)出“微積分”這個數(shù)學分支?,F(xiàn)在,微積分成為人們研究事物變化的工具,可用于預測未來,如:某種病毒的傳播,股市的行情,行星的軌道等。幾乎所有事物的變化都可用微積分來考察。

18世紀初,二進制被探索,二進制只有0和1兩個數(shù)字。19、20世紀,二進制用于計算機。今天,我們電腦能儲存數(shù)據(jù),處理圖像、音頻、視頻等多種信息,靠的就是0和1的不斷變化。沒有0,電腦就是一個死機,全玩完了。

就這樣,單個的0一步步地改變和發(fā)展了數(shù)學這門科學:它使數(shù)學從簡單到豐富多姿,從粗淺到博大精深,它對人類社會的貢獻,怎樣高的評價都不為過。

回過頭看,人類創(chuàng)造單個的0要比其他數(shù)字晚3000年,為什么?原來,當時人類普遍仍處于實物思維,還只會用數(shù)字來指代實物數(shù)量。有實物,就有數(shù)字;有多少實物,就用多少數(shù)字;“沒有實物,那數(shù)字從何而來?”。

唯有一個民族,他們率先邁進抽象思維。他們經(jīng)思考得出,“什么都沒有”也是一種東西、一種狀態(tài),也應該用一個數(shù)字來表示,單個的0得以誕生。我們應感恩這個改寫數(shù)字、給數(shù)學帶來福音的民族——印度人。

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