数学是人类的发明，还是发现？
⬆️点我 ⬆️
文艺复兴三杰拉斐尔名画《雅典学院》
授权自
zhihu.com/question/19746620/answer/1652522409
（原文有删减）
首先，对这个问题感兴趣，还点进来看的人，都不是一般人。
00
一切先从定义开始
数学究竟是发现（discovered），还是发明（invented），取决于“发明”和“发现”的定义。
先看两个案例：
科学家发现了微观粒子，而不是发明了微观粒子；
殷商时代的古人发明了甲骨文，而不是发现了甲骨文。
通过这个例子，我们可以达成共识：
发现，是指人类在自然宇宙里找到了以前没见过的事物
发明，是指人类创造出了自然宇宙中以前不存在的事物
如果以这两个定义为基础，可以推出：
因为，数学的定义、符号和规则都是人类的发明，是自然宇宙中以前不存在的事物。
所以，数学是人类的发明，而不是发现。
Q.E.D.
等一下，这样就结束了？
并没有，因为事情没有这么简单。
01
有限的自然宇宙和无穷的数学宇宙
无穷符号
“无穷”是数学中最核心的概念之一，但是”无穷“只存在于人类的想象中，不存在于自然宇宙中。
在我们的印象里，自然宇宙是无穷的。
然而，随着人类观测能力增强，科学家逐渐发现，我们所生活的自然宇宙，实际上比我们想象的要“小”的多。
根据观测到的天文数据，科学家发现宇宙的时间不能无限上溯，而是存在一个叫“大爆炸”的起点，宇宙的年龄估计不超过200亿年；
宇宙的空间也非无限，宇宙的直径不超过1000亿光年；
而宇宙里所有普通物质的质量是1.45×10^53千克，尽管这些都是极其庞大的天文数字，但也是有限的。
也就是说，我们印象里那个无穷的宇宙，是我们想象出来的。
宇宙中所有已知的自然事物，包括时间、空间、物质、能量…
等等都是有限的，在自然中并不存在无穷的事物。
圆周率π
02
无穷让数学凌驾于其他科学之上
公元前6世纪，古希腊人证明出了第一个数学定理，从此，无穷进入了数学。
第一个定理是泰勒斯证明出来的泰勒斯定理，和他同时代的毕达哥拉斯则证明了勾股定理，并建立了第一个数学学派。
《雅典学院》中的毕达哥拉斯，旁边抄作业的是德莫克里克。维基百科说图中抄作业的是阿那克西曼德，但他比毕达哥拉斯要早，我更倾向于是德谟克利特，反正拉斐尔也没明确他是谁
（当然很可能他们也证明了，只是还没有足够的证据支持）
是无穷让定律和定理之间产生了天壤之别。
定律是对已知规律的归纳总结，将来可能会出现例外情况，改写定律
而定理则通过演绎推理实现了无穷，不存在例外情况，不会被推翻。
所以，毕达哥拉斯之前的古代数学家更多的是发现，他们发现了很多定律，但是没有发明太多超越自然宇宙的数学概念。
而毕达哥拉斯之后的数学家，引入了演绎和无穷，还定义了很多超越自然的概念，导致此后的数学越来越多的是发明。
这是一个历史性的时刻，古希腊哲学家开辟了一个无穷的新世界，而数学也从此开始凌驾于其他科学之上。
高斯称，“数学是科学的皇后”。
而爱因斯坦也表示认同：
数学之所以拥有超越其他所有科学的地位，是因为数学中的法则是绝对确定和无可质疑的，而其他科学的法则则是可质疑的，并随时有被新发现的事实所推翻的危险。
大部分自然科学中的定律，放在数学中只能算作猜想。
因为这些定律都是观察、归纳而来的，还不能靠严格的证明保证其永远成立。
例如以牛顿定律所构建的经典力学，后来就被相对论和量子力学所改写。
现代物理学
数学的地位要归功于无穷，数学家赫尔曼.外尔也说：
数学被称为关于无穷的科学。的确，数学家发明了有限构造，通过该构造可以解决问题，而其本性却隐含着无穷。
外尔的第一句话，我们已经理解，第二句话也很重要，可是该如何理解呢？
让我们以《几何原本》为例：
利玛窦和徐光启所翻译的拉丁语版《几何原本》
古希腊数学家欧几里得的《几何原本》，是数学史上最重要的文献之一，这本书的第一句话就暗含了无穷。
定义1. 点：点无法再分割成部分。
有没有意识到，这个定义很古怪，但是哪里古怪，又说不出来。
其实，这是欧几里得在用精巧的话术，想方设法的要绕开无穷，只是为了说明”点“只有位置，而没有大小。
如果直接说“点”没有大小，就必须引出“无穷小”这个至关重要的概念。
所谓”无穷小“是指无限的接近于零，却不等于零。
古希腊人发现”无穷小“会引发很多悖论，他们无法解决，所以只好用“分割”来定义“点”，回避“无穷小”悖论。
如果有人问，这个定义好像包含了无穷小啊？
你就可以反驳：谁说无穷小了？我说的是”不能再分割“。
不管怎么说，无穷隐含其中。
《雅典学院》中手拿圆规作图的欧几里得
定义完了“点”，紧接着，欧几里得又在“点”的定义基础之上，构造出了“线”的定义：
定义2．线：线是没有宽度的长度。
定义3．线的两端是点。
定义4．直线：直线是线上的点均匀平直的分布。
有了“线”的定义，接下来是“面”的定义，然后是各种“几何图形”的定义，…
欧几里得构造了点、线、面、形、角等23个数学元素的定义（后面的12卷又增加到了131个），以及5条公理、5条公设，并以这些有限的元素和规则证明了465个命题，构建出无限的欧几里得几何空间。
号称最美彩版《几何原本》中的插图
数学的定义里有无穷、定理里也有无穷、数学的空间也是无穷的…，总之数学世界中到处都是无穷。
回过头来，再重新品味外尔的话：
的确，数学家发明了有限构造，通过该构造可以解决问题，而其本性却隐含着无穷。
是不是容易理解多了？
03
数学来源于自然，却高于自然
人类观察鸟的飞行，发现了飞行的原理，然后发明出飞机这种全新的事物。
随着人类对飞机的不断改良，飞机的速度和范围很快就超越了所有鸟类。
数学的计算边界远远超过自然
注意，这个图只是演示数学可计算的边界远远超出了自然宇宙的范围，并不代表数学已经比自然大。
数学完全有能力来描述我们所在的这个自然宇宙，但是反过来，数学宇宙中的很多东西是无法用自然事物来描述的，比如无穷。
这是不是很神奇？
爱因斯坦也这样认为，他说：
宇宙的可理解性是宇宙永远的秘密...宇宙居然能被理解，这个事实本身，就是一个奇迹。
数学史的时间线
按照数学史的时间线：
5000多年前，人类发明出算数计算
2000多年前，古希腊人发明了几何证明
400多年前，欧洲人发明了代数和微积分
100多年前，数学家建立起了现代数学体系
直到此时，爱因斯坦才有能力用现代数学的强大工具发明出了相对论，如果没有现代数学，即使爱因斯坦也寸步难行。
这个图片是搞笑用的，但内容是认真的。
一个不会现代数学的爱因斯坦，和一个掌握现代数学的爱因斯坦，只有后者才可以发明相对论。
智商决定不了人的上限，是人所能掌握的数学水平，限制了人能掌握的科学和技术水平，而这些才决定了人的上限。
事实上，数学家每发明创造出一个新的数学概念，都会让数学的边界扩展出一个更庞大的无穷空间。
如果只依靠发现的话，数学家的能力就会受到极大的限制。
2000多年前，毕达哥拉斯学派的希帕索斯，基于勾股定理发明出了根号2，这种不能用自然数的比例来表示的非比例数，也就是无理数。
学派认为他发明出的新数，不是自然宇宙中存在的数，是亵渎神灵的行为，于是淹死了希帕索斯。
如果数学家停止脚步，只使用自然数，而不使用发明出来的新数，那就极大约束他们的能力，就不会有后来高度繁荣的数学世界了。
经过2000多年创造，数学家打破了自然的限制，发明出了越来越多自然宇宙中并不存在的新数。
从0维空间到4维空间
二向箔把太阳系碾压成低维空间
图片出处：《三体艺术插画集》
而如果能让数学家把数学工具带到自然宇宙的话，他们完全可以碾压歌者，彻底摧毁歌者文明。
如果想限制住数学家的力量，就让他们只能用在自然中才存在的事物。
这样人类的科学探索能力，就会被永远锁死在2000多年前的古代，这比智子锁死基础物理还要狠毒！(三体迷都知道的梗^_^)
幸好，数学家已经摆脱了自然的限制，就像《西游记》里的孙悟空一样，“跳出三界外，不在五行中”，这是前所未有的自由。“
人定胜天”这个梦想，至少在数学上已经完全实现了！
现在你已经明白了，数学的强大力量恰恰来自于发明，而没有停留在发现上。
数学是人类文明对自然的伟大超越！
04
仔细观察拉斐尔的《雅典学院》，就会发现画中暗藏着一个金字塔形的层次结构。
整个《雅典学院》以柏拉图和亚里士多德为中心。
同时他们也是身边人物的视线焦点。
如果以亚里士多德伸出的右手作为顶点，可以做出一个等腰三角形，从台阶之上向下延伸到地板，底边的两个角右边指向毕达哥拉斯，左边指向欧几里得。
注意观察，就会发现这两个数学家也是周围人物的视线焦点。
右边是由达芬奇Cosplay的柏拉图，他的右手竖着中指（啊不，是食指）指向天空，左手夹着《蒂迈欧篇》，象征着「形式」可以构造出理想的世界。
左边是亚里斯多德（可能是米开朗基罗Cosplay），右手拍向大地，左手扶着《伦理学》，象征着「经验」需要通过脚踏实地的观察才能发现。
他们两个人，正好代表了人类获得知识的两种途径：
一种来自演绎、发明，另一种则来自归纳、发现。
拉斐尔用这样的构图来表达，在自然哲学的层级结构中，数学是整个自然哲学的基础。
两者不是非此即彼的关系，而是兼而有之的关系。
发现和发明是数学的不同阶段：
数学家观察自然，在数量和图形中发现了数学规律
数学家根据发现，设计出新的数学元素，并通过演绎引入了无穷
无穷将自然定律变成了数学定理，数学逐渐开始超越自然
数学家发明出大量新的数学元素和规则，开拓出一个又一个的数学无穷宇宙
人类借助数学宇宙中超越自然的力量，实现了科学、技术的大繁荣
数学起源于自然，独立于自然，超越了自然，最终演化为一个全新的世界
所以，发明和发现在过程上是统一的，并非对立。
PS：
01
如果有外星高级智慧，他们想用一种工具来描述那些规律的时候，会发明另一种类似数学的东西，而不是人类数学么？
参考资料
1.https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe
2.Weyl, H. Axiomatic versus constructive procedures in mathematics.The Mathematical Intelligencer 7,10–17 (1985). https://doi.org/10.1007/BF03024481
3.AlbertEinstein(1923).'GeometryandExperience'.Sidelights on relativity. Courier Dover Publications. p. 27.Reprinted by Dover (2010),ISBN978-0-486-24511-9.
4.AndrewRobinson.Did Einstein really say that? Nature 557, 30 (2018). https://doi.org/10.1038/d41586-018-05004-4
5.【费物理学2-5】费曼趣谈数学家与物理学家的区别_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili6.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BD%A2%E5%BC%8F_(%E5%93%B2%E5%AD%B8)
7.https://en.wikipedia.org/wiki/Oliver_Byrne_(mathematician)
8.https://habr.com/ru/post/451682/
9.我如何用TeX“复活”两千多年前的《几何原本》？- 云 社区 - 腾讯云