四和八的方方面面
刘瑞祥
中科院物理所
2022-10-13 11:18:02
转自公众号：遇见数学
本来想先和读者闲聊一下4和8的，但是写完以后发现文章太长了，还是闲话休提，只说正事，下面内容主要和4有关，间或有8。
一、算数和代数
关于4有个很有意思的等式，即三个不同优先级的式子居然都等于4，好玩。4还是最小的合数，而且在费马猜想中，是唯一一个需要单独证明的合数。
据说当年费马可能已经证明了n=4的情形，这让他自以为“已经找到了这个命题的真正证明”只是因为“空白太小学不开了”。这个证明用的是费马自创的“无穷下降法”，过程如果写在这里会显得很繁，所以就不列出了，请大家自行查阅有关资料。4还是具有求根公式的多项式方程的最高次数，但是求根公式很复杂，手动计算基本不可能，也没有必要，当然你可以用计算机编程来计算。
而缺少三次和一次项的四次方程——也叫做双二次方程——却可以通过换元法转化为二次方程进行求解，这就容易多了。可以证明，任何形如的数（、都是正有理数，且开方后至少有一个是无理数）都是整系数双二次方程的根。证明起来很简单，大家要不要试一试呢？
纪念哈密尔顿邮票
数学里有种对象叫做“四元数”，形式上包括一个实数部分和三个不同的虚数部分：这是著名的哈密顿发明的，据说他的动机是看到了复数的重要作用，觉得“既然引入一个虚数部分很有用，那么引入两个会不会更有用呢？”结果他总是失败，原因是弄不好这个新数的乘法，后来他终于恍然大悟，不是引入两个而是引入三个虚数部分，而且放弃了自古以来被视为天经地义的乘法交换律才搞定。
二、传统几何中的4和8
传统的平面几何中，四点共圆是一种重要的几何模型，因为这里面既有长度关系又有角度关系，在证明题中常用用来转化长度和角度。这一模型使用灵活，而且其中的圆往往不是真实出现，只是一个辅助圆，所以难度也不小呢。这方面的典型例子是“三角形三条高线交于一点”的一个经典证明。
在平面几何中，重要的四边形是平行四边形，以及各种特殊的平行四边形——矩形、菱形和正方形。立体几何中，有几种重要的多面体带有“4”和“8”，比如最基本的几何体——三棱锥有四个面、平行六面体有八个顶点，以正方体的各面中心为顶点可以得到正八面体，而金字塔则是正四棱锥，如此等等。
三、四维空间
四维空间是科幻、科普作品中的常客，也是人类无法凭直觉把握的东西。这些年刘慈欣的《三体》大火，其中第三部就描述了四维空间的景象。我很佩服他的想象力，虽然知道肯定是有“硬伤”的。
本文不再谈四维空间和相对论等等的关系了，下面只谈一条几何公理：若两平面和有公共点，则它们至少还有一个公共点。这在希尔伯特的《几何基础》中被列为结合公理的第七条，即。希尔伯特说这条公理表示空间不能多于三维，但没有具体论述。
实际上，如果空间是四维的，建立坐标系，设其中一个平面的方程是，另一个平面的方程是，容易知道这两个平面的公共点有且只有(0,0,0,0)。因此在四维空间里两个平面可以仅在一点相交。更高维类似可证，但要注意的是，在五维空间里平面方程有三个等号，六维则是四个等号，如此等等。由此可见，我们虽然不能想象高维空间，但是能通过数学把握其性质，这是人类理性的胜利。
关于四维空间，还有什么可以说的吗？比如四维空间里有没有“柏拉图立体”？其中肯定有正方体，不过其它的正多面体（或者更确切地应该叫正什么？反正你懂我的意思就行了）是否存在就需要动动脑筋了。下面我们还是离开这么抽象的东西，看看其它学科。
四、其它学科中的“四”和“八”
在逻辑学里，有所谓的四种基本命题，示例和命题名称如下：
「所有鸟都会飞———全称肯定命题」
「有的鸟会飞————特称肯定命题」
「所有鸟都不会飞——全称否定命题」
「有的鸟不会飞———特称否定命题」
这些命题之间的关系，以及在“三段论”中的作用，是传统逻辑学中的重要内容，而现代物理课本上常作为“反面典型”的亚里士多德，就是世界上最早、最重要的逻辑学家，他这方面的成果在现代仍然基本适用。
下面看看物理学。这里最能体现四的重要性的，除了前面说到的相对论，就是麦克斯韦方程组，它无论是微分形式还是积分形式都由四个方程组成。同样的，热力学方程也是包含四个。我觉得，如果一个人能欣赏麦克斯韦方程组的美，那就也应该能欣赏热力学方程的美。已经有很多文章介绍麦克斯韦方程组了，所以下面只写了热力学方程组：
四在化学中最重要的应用大概是第四主族元素了，碳硅锗锡铅嘛，其中碳是生命必不可少的元素，原因之一是它具有四个最外层电子，可以形成长链，构成几乎无穷无尽的各种分子，而硅比碳多了一个电子层，虽然也能形成很多种化合物，但到底还是就和碳有很大区别。有的科幻书一本正经地讨论“硅基生命”，不必当真了。不过硅也不必沮丧，因为它和锗是我们这个信息时代的明星。
另外截止到今天，全部已经发现的化学元素的原子，处于基态时核外电子只有四个亚层，这就是所谓的s、p、d、f亚层，每个亚层中电子云的形状不同。
八在化学中同样很重要，我们都知道有个“八电子稳定结构”，说的是如果原子的最外层具有八个电子就是稳定的。天然具有八个最外层电子的原子是所谓“惰性气体（现在叫稀有气体了）”，具有化学性质稳定、液化点和凝固点低等特点。而其它元素的原子也往往具有成为八电子稳定结构的倾向，于是产生了各种各样的单质和化合物。顺便说一句，在生物体内仅次于碳、意义可能和氢差不多的氧原子的核电荷数就是八。
在地质方面，本来我们所处的地质年代被称为“第四纪”，但是人类对自然界的影响太大了，于是有人倾向于划分出一个新的地质年代——人类纪。不过我不能断定这是不是认真的。
在天文学方面，我们的太阳系——多少有些随意的——被认定有八颗大行星，其中四颗是类地行星，另外四颗则是巨行星。本来冥王星也是大行星中的一颗，但是后来天文学家发现太阳系内类似冥王星那么大的行星有好几个，而且不能保证今后不会发现新的同样大小的系内行星，于是把它降了半级，称之为“矮行星”，属于这个分类的还有谷神星等等。这是我介绍的有关“四”和“八”的最后一个内容。
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来源：遇见数学
编辑：Callo
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