书城科普读物站在巨人肩上-从阿基米德谈物理学起源
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第1章 自我介绍

我叫阿基米德(Archimedes),是古希腊物理学家、数学家,静力学和流体静力学的奠基人。公元前287年,我出生于西西里岛的叙拉古(今意大利锡拉库萨)。由于我出身于贵族,又与叙拉古的赫农王有亲戚关系,所以当时我的家庭是相当富有的。我的父亲是天文学家兼数学家,学识渊博,为人谦逊。

由于王室的关系,在我十一岁时,被送到古希腊文化中心亚历山大里亚城,就这样开始了我的学习生涯。阿基米德螺杆亚历山大位于尼罗河口,是当时文化贸易的中心之一。这里有雄伟的博物馆、图书馆,而且人才荟萃,被世人誉为“智慧之都”。我在这里学习和生活了很多年,曾跟很多学者密切交往。我在学习期间对数学、力学和天文学都产生了浓厚的兴趣。在学习天文学时,我还发明了用水力推动的星球仪,并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及表演日食和月食现象。当时,在用尼罗河水灌溉土地是非常困难的,为了解决这一难题,让老百姓减轻负担,我发明了圆筒状的螺旋扬水器,也就是后人所称的“阿基米德螺旋”。

公元前240年,我当了叙古拉赫农王的顾问,帮助国王解决生产实践、军事技术和日常生活中的各种科学技术问题。

为了帮助你们更好的了解我,在这里我就讲述几个有关我的小故事。

有一次,叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠,做好后,国王怀疑工匠在金冠中掺了假,但这顶金冠确与当初交给金匠的纯金一样重,到底工匠有没有捣鬼呢?既想检验真假,又不能破坏王冠,这个问题不仅难倒了国王,也使诸大臣们面面相觑。

后来,国王请我来检验。最初,我也是冥思苦想而不得要领。一天,我去澡堂洗澡,当我坐进澡盆里时,看到水往外溢,同时感到身体被轻轻拖起。我突然悟到可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定金冠的比重。我兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得穿就跑了出去,大声喊着“尤里卡!尤里卡!”。(尤里卡,意思是“我知道了”)。

物体在水中所受的浮力等于物体对水的反作用力我经过了进一步的实验以后来到王宫,把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里,比较两盆溢出来的水,发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大,所以证明了王冠里掺进了其他金属。

这次试验的意义对于我来说远远大过查出金匠欺骗国王,因为我从中发现了浮力定律:物体在液体中所获得的浮力,等于他所排出液体的重量。

有人说我不仅是个理论家,也是个实践家,这源于我一生热衷于将科学发现应用于实践,并把二者结合起来。在埃及,很久以前就有人利用杠杆来抬起重物,不过人们不知道它的道理。我潜心研究了这个现象并发现了杠杆原理。我从中受到了启发:“假如给我一个支点,我就能撬动地球。”

当时,赫农王为埃及国王制造了一条不但体积很大,而且很重的一条船。因为船太重导致国王派了很多人都不能挪动,所以搁浅在海岸上很多天。看到这种情况,我便设计了一套复杂的杠杆滑轮系统安装在船上,然后将绳索的一端交到赫农王手上。赫农王轻轻拉动绳索,大船便奇迹般地缓缓地挪动起来,最终下到海里。国王惊讶之余,十分佩服我,并派人贴出告示“今后,无论阿基米德说什么,都要相信他。”

有一次,罗马军队入侵叙拉古,我指导同胞们制造了很多攻击和防御的作战武器。当侵略军首领马塞勒塞率众攻城时,我设计的投石机把敌人打得哭爹喊娘;我制造的铁爪式起重机,能将敌船提起并倒转。

还有一次,我率领叙拉古人民手持凹面镜,将阳光聚焦在罗马军队的木制战舰上,使它们焚烧起来。罗马士兵在这频频的打击中已经心惊胆战,一见到有绳索或木头从城里扔出,他们就惊呼“阿基米德来了”,随之抱头鼠窜。

罗马军队被阻在城外达三年之久。然而不幸还是降临。公元前212年,也就是我75岁的时候,罗马人趁叙拉古城防务稍有松懈,大举进攻闯入了城市。此时,我正在潜心研究一道深奥的数学题,一个罗马士兵闯入,用脚践踏了我所画的图形……

鉴于我在诸多科学领域所作出的突出贡献,同时代人们给予了我高度的尊敬。有人称我是古代希腊文明所产生的最伟大的数学家及科学家。

我在力学方面的成绩最为突出,我系统并严格的证明了杠杆定律,为静力学奠定了基础。在总结前人经验的基础上,我系统地研究了物体的重心和杠杆原理,提出了精确地确定物体重心的方法,指出在物体的中心处支起来,就能使物体保持平衡。我在研究机械的过程中,发现了杠杆定律,并利用这一原理设计制造了许多机械。我在研究浮体的过程中发现了浮力定律,也就是有名的阿基米德定律。

我确定了抛物线弓形、螺线、圆形的面积以及椭球体、抛物面体等各种复杂几何体的表面积和体积的计算方法。在推演这些公式的过程中,我创立了“穷竭法”(即我们今天所说的逐步近似求极限的方法,因而阿基米德被公认为微积分计算的鼻祖)。我用圆内接多边形与外切多边形边数增多、面积逐渐接近的方法,比较精确的求出了圆周率。面对古希腊繁冗的数字表示方式,我还首创了记大数的方法,突破了当时用希腊字母计数不能超过一万的局限,并用它解决了许多复杂的数学难题。

我在天文学方面也有出色的成就。除了前面提到的星球仪,我还认为地球是圆球状的,并围绕着太阳旋转(这一观点比哥白尼的“日心地动说”要早1800年。限于当时的条件,他并没有就这个问题做深入系统的研究。但早在公元前三世纪就提出这样的见解,是很了不起的)。

我的著作很多,数学方面,我写出了《论球和圆柱》《圆的度量》《抛物线求积》《论螺线》《论锥体和球体》《沙的计算》等数学著作。而作为力学家,我著有《论图形的平衡》《论浮体》《论杠杆》《原理》等力学著作。

说到圆周率大家都不陌生,都知道它是一个极其驰名的数。那么,什么是圆周率呢?圆周率是指平面上圆的周长与直径之比 。用希腊符号π表示。中国古代有圆率、圆周率等名称。从文字记载的历史开始,圆周率这个数就引起了科学家们的重视并为此献出了自己的智慧和劳动。

大约公元前3世纪初在古希腊欧几里得《几何原本》中提到圆周率是常数,而在大约公元前2世纪中国古算书《周髀算经》中有“径一而周三”的记载,也认为圆周率是常数。历史上曾采用过圆周率的多种近似值 ,早期大都是通过实验而得到的结果,如古埃及纸草书(约公元前1700)中取π=(43)4≈3.1604 。第一个用科学方法寻求圆周率数值的人是阿基米德,他在公元前3世纪的《圆的度量》中用圆内接和外切正多边形的周长确定圆周长的上下界,从正六边形开始,逐次加倍计算到正96边形,得到(3+1071) <; π <; (3+17) ,开创了圆周率计算的几何方法(亦称古典方法,或阿基米德方法),得出精确到小数点后两位的π值。

公元前263年,中国数学家刘徽在注释《九章算术》时,只用圆内接正多边形就求得π的近似值,也得出精确到两位小数的π值,他的方法被后人称为割圆术。约5世纪下半叶,南北朝时代的数学家祖冲之进一步得出精确到小数点后 7位的π值,给出不足近似值3.1415926和过剩近似值3.1415927,还得到两个近似分数值,密率355113和约率227。直到1573年,密率才由德国人奥托得到,1625年发表于荷兰工程师安托尼斯的著作中,欧洲称之为安托尼斯率。阿拉伯数学家卡西在15世纪初求得圆周率17位精确小数值,打破祖冲之保持近千年的纪录。德国数学家柯伦于1596年将π值算到20位小数值,后投入毕生精力,于1610年算到小数后35位数,该数值被用他的名字称为鲁道夫数。

1579年法国数学家韦达花了大量的时间,投入毕生的精力,终于给出第一个π的表达式。

此后,无穷乘积式、无穷连分数、无穷级数等各种π 值表达式纷纷出现,π值计算精度也迅速增加。1706 年英国数学家梅钦计算π值突破100位小数大关。1873 年另一位英国数学家尚可斯将π值计算到小数点后707位,可惜他的结果从528位起是错的。到1948年英国的弗 格森和美国的伦奇共同发表了π的808位小数值,成为人工计算圆周率值的最高纪录。

首次用计算机(ENIAC)计算π值

随着电子计算机的出现,使π值计算有了突飞猛进的发展。1949年美国马里兰州阿伯丁的军队弹道研究实验室首 次用计算机(ENIAC)计算π值,一下子就算到2037位小数,突破了千位数。1989年美国哥伦比亚大学研究人员用克雷-2型和IBM-VF型巨型电子计算机计算出 π值小数点后4.8亿位数,后又继续算到小数点后10.1 亿位数,创下新的纪录。

除π的数值计算外,它的性质探讨也吸引了众多数学家。1761年瑞士数学家兰伯特第一个证明π是无理数 。1794年法国数学家勒让德又证明了π2也是无理数。到1882年德国数学家林德曼首次证明了π是超越数,由此否定了困惑人们两千多年的“化圆为方”尺规作图问题。还有人对π的特征及与其他数字的联系进行研究。如1929年苏联数学家格尔丰德证明了eπ 是超越数等等。