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1701011869 几周之后,他来还山羊。当这些山羊被赶入羊圈时,我通过同样的方法,统计了山羊的数量。最终的结果一样,我知道借出去的山羊已悉数归还。(严格地说,我不知道还回来的这些山羊是不是我借出去的那些,但在这里我们不考虑这个问题。)当时,我不知道我借出了多少头山羊(我没有“多少”的概念,也没有数字的概念),但是我知道邻居没有欺骗我。事实证明,计数是一种非常有用的工具,可以帮助我们解决身边的问题。
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1701011871 有证据表明,古时候,人们在采用这种计数方法时使用的工具是符木。已知最早的符木是一根有刻痕的骨头,称作伊尚戈骨,可以追溯至20 000年前。这块狒狒的腓骨(小胫骨)上刻有三组深深的刻痕,每组的和分别是60、48和60。这些符木很可能就是计数用的。它们不仅可以表示更大的数,而且计数结果可以长时间保存,因此是一种优于掰手指的计数工具。
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1701011873 我们只能推测伊尚戈骨是用来计数的,但是无法找到背景资料加以确认。那些刻痕也可能是一种装饰。但我们可以确定,在距今更近的史前时代,人们使用了大量的符木标记,而且这些标记显然是用于记录的。我们可能永远无法确定符木这种无数字计数工具第一次出现的时间,但我们知道把符木作为一种常用的计数工具已经有漫长的历史了。然而,我们设想的发明数字的实验才刚刚开始,它远不像制作一根符木那样简单。
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1701011875 接下来,我们设想,在把山羊借给邻居后的第二天,我女儿问我哪些山羊被借走了。但我已不记得朋友借的是哪些山羊(一段时间之后,所有山羊在我的脑海里都变成一模一样的了)。于是,我一面说“就是……”,一面掰起手指头。这已经是我能找到的最有效的记录方式了。若干天之后(在这期间,邻居又找我借了几次山羊,看来他有向邻居借东西的习惯),我突然灵光一现。每次说到借给邻居的那些山羊时,我为什么都要重复掰手指这个无聊的动作呢?只要说“一只手的山羊”,不就可以了吗?如果他需要多借一头山羊,那我怎么表示呢?“一只手加一根手指的山羊”。于是,我不知不觉就发明了数字。由于这些数字都是根据我的手指发明的,因此它们可以叫作“手指数”。
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1701011877 不幸的是,史前版的我有点儿上年纪了,记忆力也衰退了。在一段时期里,由于邻居借羊的频率异常高,所以我需要通过在符木上刻痕的方式,帮助自己记住借出去了多少头羊。然而,我发现,既然“手”这个词可以用来表示一定数量的手指或者符木刻痕,那么,如果我用某个特定的刻痕或者图案来表示手,计数结果不就一目了然了吗?那样的话,我就不需要将很多刻痕转化成若干只手了。刚开始的时候,我把符木刻痕画成手指的样子:
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1701011882 但是,过了一阵子之后,因为懒惰,我把这个刻痕做了简化处理,用一条横线表示大拇指,用一条竖线表示其他手指,于是这个图案就变成了一个不规则图形:
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1701011887 在书写和惰性的双重作用下,这些数字逐渐形成了一套独有的符号体系。这套数字系统简单易懂,即使你之前从未使用过,也从未见过,看到下面的符号之后,你也应该能立刻说出这个数是多少:
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1701011892 没错,这个数就是现代数字系统中的12。然而,现在讨论这个数还为时过早。在史前人眼中,这个数就是“手—手—手指—手指”。但也有可能是“手指—手指—手,手指—手指”,这是因为我可以利用左手的手指数出这个数包含多少只手,还可以利用右手数出余下的手指数。太棒了!我是不是已经成为一名数学高手了?暂且还算不上。但是,我已经是一名算术师了,如果真有“算术师”这个词的话。(但好像真的有这个词,因为电脑的拼写检查程序没有报错。)的确,这些内容太简单了,可能还不足以称为数学吧。但是,在讨论更复杂的情况之前,我们先看一看,到现在为止,我们到底掌握了哪些技能。
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1701011894 我发明的这种符号系统是用数字表示实物,也就是说,这些数字是对现实世界中具体事物的直观表示。具体地说,在本例中,这些数字表示的是山羊的数量。对于现代人而言,既然这些直观的符号可以表示山羊,就一定可以表示玉米等其他事物。但是,我们知道,早期的准数学家在历经了一番周折之后,才艰难地完成了这个由具体到抽象的飞跃过程。事实上,数字的通用性(指数字与实物剥离,变成独立的符号。正因为数字的这个特性,我们现在不仅可以用“4”表示香肠,还可以用它表示汽车)并不是与生俱来的。
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1701011896 就像数山羊这个思想实验一样,古时的乌鲁克城邦居民在学会书写之后,也经常需要考虑计数的问题。乌鲁克是最早的城市之一,在伊拉克还能看到该城遗址。公元前4000年,乌鲁克在苏美尔文明中占据核心地位,存世2 000多年。但是,乌鲁克的居民没有发明出可以表示所有事物的数字系统。他们虽然进行了一定程度的归纳,却认为有的事物与其他事物相差甚远,在表示这些事物时需要使用特殊的数字。例如,他们使用一套数字系统表示人、活的动物和干鱼(不要问我为什么),同时使用另一套数字系统表示谷物、奶酪和鲜鱼。
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1701011898 但是,在应用过程中,有人不可避免地会在某些场合中突破限制,用某个事物(比如山羊)独有的计量系统表示其他事物。于是,数字逐渐具有了通用性。我之所以用大量篇幅讨论这个过程,是因为它对于回答“数字是一种真实的存在吗”这个问题具有非常重要的意义。如果事实证明数字并非真实存在,那么为什么它们可以如此好地表示现实呢?对于这个问题,美国数学家理查德·汉明说:
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1701011900 抽象的整数不仅可以用于计数,而且效果非常好,这实在令我吃惊。我曾经试图向朋友们介绍我的这种心情,但是他们几乎都无法理解。6头绵羊加上7头绵羊,就有13头绵羊,6块石头加上7块石头,就有13块石头,这样的结果难道不令人吃惊吗?宇宙间竟然有像数字这样简单的抽象概念,难道不是奇迹吗?我认为,这个事实强有力地证明了数学的神奇性达到了我们难以想象的程度。我认为数学既不可思议,又难以解释。
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1701011902 接着说我们的思想实验。过了一段时间,我可能会调整掰手指这种计数系统,并且使用一些有形的象征物。这些有形的象征物可能是计数石,也就是“calculi”[小卵石,“calculation”(计算)与“calculus”(微积分)即由此演变而来],也可能是算盘珠,还可能是我们今天仍在使用的硬币。事实上,在发明数字之后不久,我肯定就需要制作出某种有形象征物。从记账这个角度看,我发明的这种书写符号没有任何问题。例如,看了这些符号,我就知道我借给邻居多少头山羊。这种记账方式是可行的,因为邻居和我是朋友,我们彼此信任。但是,如果我是一个不诚信的人,我就可以在符木上添加两条刻痕,而且看不出任何破绽。
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1701011904 邻居来还山羊时,等到数完一只手的山羊之后,我会装出一副很伤心的样子说:“你只还给我一只手的山羊,还有‘手指—手指’的山羊没还呢?”同时,我会把修改过的符木拿给他看,脸上则是无辜又可怜的表情。邻居不能复制我的符木,因此他可能没有办法为自己辩解,他要么多还给我两头山羊,要么把我痛揍一顿。
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1701011906 实际上,到目前为止,用“手指—手指”来表示“2”的计数方式可能已经让我不胜其烦了。因此,富有独创性的我可能会想出一些字词,用来表示介于手指与手之间的数值。经常与文字打交道的人都希望字词简短易记,同样,我也希望这些字词不要太长,所以我最后想出来的字可能是:“芬,戈,纽,喀,手”。于是,我一面适度地做出伤心的表情,一面质疑邻居:“还差戈头山羊呢!”
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1701011908 无论我如何表示剩下的这两头山羊,不经意间,我毫不费力地完成了一种全新的数学运算。在我作弊之后,我的符木显示出山羊的总数是手—戈(实际上,我可能会把这两个字连起来,表示“7”这个数)。邻居还给我一只手的山羊,还欠我戈头山羊。从手—戈头山羊中收回一只手的山羊,还剩下戈头山羊。也就是说,手—戈减去手等于戈。这难道不是一道算术题吗?
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1701011910 因此,如果我不诚信,我就可以借助符木和我新发明的骗术进行骗人的勾当。幸好,聪明的邻居发现,我的符木仅仅通过刻痕表示山羊的数量,而这些刻痕改起来非常方便,因此他有被骗的危险。于是,他拿出了一套具体的象征物,每枚象征物代表一头山羊。这些象征物是他自己制作的实物,易于辨认,而且我难以复制。在他归还山羊时,我收到一头山羊,就还给他一枚象征物。归还了一只手的山羊之后,这些象征物就全部回到了邻居手中,因此我无法欺骗他。但是,新的问题又出现了。由于邻居经常来借山羊,我有点儿不高兴了。因此,我们达成了一个新协议。在邻居再次借山羊时,作为补偿,我可以留下一枚象征物。将来,我可以利用这枚象征物从邻居那里换取某些物品,例如一袋面粉。
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1701011912 由于彼此之间的不信任,再加上非常简单的算术运算,钱在不知不觉之中便诞生了,并且为有偿服务的产生奠定了基础。由此可见,数字的功能强大到令人瞠目结舌的程度。但我们还是从金钱回到纯算术这个话题,继续考虑“手”的含义。刚开始的时候,我可能只会用这个概念来表示羊群的大小,但是,我很快就会发现它的通用性,也就是说,它还可以方便地表示苹果、人、鱼叉等事物的数量。作为一个数字,手可以用于很多方面,它可以告诉我们某种事物到底有多少,无论这种事物是什么。
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1701011914 到目前为止,这就是手的全部功能,而且这些功能已经足够满足我们计数的需要了。坦白地说,这种状况将维持相当长的时间。在清点存货、借钱、购物和销售等活动中,手可以发挥不可思议的显著作用。在准备晚餐时,手可以告诉我们有多少人将与我们共进晚餐。手还可以告诉我们,多少天之后,白天会慢慢变长。正因为如此,当简单的符木演变成书面数字之后,古巴比伦人发明了非常先进的六十进制,这是最早出现的计数系统之一。
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1701011916 “六十进制”是指在60这个位置,所有的数字都要进位到下一级。我们现在使用的十进制数字系统,很有可能源于双手一共有10根手指这个事实。(从技术上看,本章讨论的手数字系统是五进制。)古巴比伦人的这套数字系统是楔形文字,是用尖笔在陶片上刻画出来的。值得注意的是,这是一个出现时间非常早的位置计数系统(某个数字在一排数字中的位置不同,它所表示的值也不同,例如,“1”表示的可能是“1”,也可能是“60”或者“3 600”),直到2 000多年后,位置计数系统才成为一种常见现象。
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1701011918 五进制、十进制和二十进制都比较好理解(考虑二十进制时,我们可以加上脚趾),但是六十进制乍一看似乎比较奇怪。其实,60这个数字使用起来十分灵活,它可以被1、2、3、4、5、6、10、12、15、20和30整除,因此在除法运算中非常方便。大家不要彻底否定六十进制。别忘了,我们在将秒换算成分钟、将分钟换算成小时以及表示角度时,仍然在使用它。古巴比伦人将楔形文字书写在陶片上,因而留下了大量数字,其中有很多是用来记账和管理交易的,但是还有一些数字则是古巴比伦人研究天空时留下来的。我们知道,古巴比伦人对天空进行了深入细致的研究,主要是由于占星术的发展。
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