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第5章 阳光下的数学(2)

欧拉的研究条件并不优越,反而在生活在道路上连遭不幸。

欧拉非常不适应彼得堡寒冷的天气,但他具有坚韧的毅力。室外的雪花飘飘扬扬地飞着,室内的欧拉通宵达旦地工作着。过度的劳累,使欧拉染上眼疾,1735年,28岁的欧拉右眼失明。

面对如此可怕的打击,欧拉没有被打倒,而是不顾眼疾,继续用一只眼睛进行研究,使得左眼视力很快衰退。但欧拉没有消沉,他深知自己的左眼将会完全失明,便抓紧最后的时光,加速研究和著书进程。

1766年,厄运终于又向他袭来,左眼也完全丧失了视力。

人们可能认为,雪上加霜的欧拉这下该要停止工作了。古希腊数学家埃拉多色尼就是由于害眼病失明,无法忍受不能读书不能研究的痛苦,绝食而死。欧拉呢?

欧拉是坚强的,他认为残疾只能给庸人提供懒惰的借口,不会成为坚强者不可逾越的障碍。欧拉活了下来,用最大的毅力战胜黑暗,用口授和请助手笔录的方法,坚持研究。

不幸的事接踵而来,1771年彼得堡的大火殃及欧拉的住宅,虽然欧拉被人救出,幸免一死,但是他的书籍和手稿全部化为灰烬。

双目失明的老人还能经得住这样沉重的打击吗?别人不能,但欧拉能!

双目失明的痛苦已经经过了,既然看不见东西,书籍也就无所谓了,但手稿是科学的财富,一定要把它整理出来。

1776年,爱妻柯黛琳娜病故,欧拉伤心地流下了痛苦的热泪。

在这些不幸面前,欧拉擦干眼泪,顽强拼搏。在双目失明的17年中,他凭借惊人的记忆力和罕见的心算能力,竟然口述了400篇左右的论文和10余部著作。其中艰辛,谁人知晓?所付心血,如何计量?

1956年,美国数学家冯·诺伊曼称欧拉为“数学家之英雄”。

作为一个数学家,欧拉的贡献是卓著的,美国数学史家克来因说:“没有一个人像他那样多产,像他那样巧妙地把握数学;也没有一个人能收集和利用代数、几何、分析的手段去产生那么多令人钦佩的成果。他是顶呱呱的方法发明家,又是一个熟练的巨匠”。

作为一个普通的人,欧拉的形象更高大。欧拉的品德是高尚的,他在和欧洲众多学者的通信中,经常毫无保留地把自己的发现告诉别人,为他人的成功创造条件。

欧拉曾考虑过“等周问题”的解法,在即将发表的时候,收到了年仅19岁的法国青年拉格朗日的来信,信中对“等周问题”提出了比较新颖的解法,但没有达到欧拉的深度。

欧拉把自己的文稿压下,使拉格朗日的这篇文章得以发表,并在数学界崭露头角。后来欧拉又向腓特烈大帝推荐30岁的拉格朗日接替他在柏林科学院物理数学所所长的职务,使拉格朗日才华大展。

欧拉,这位杰出科学家的精神、性格和进取心,赢得了成千上万的历代数学工作者的敬仰。

法国数学家拉普拉斯说过:“读读欧拉,他是我们大家的老师。”

1783年9月18日,欧拉“停止了生命,也停止了计算”。

哥德巴赫猜想

欧拉是在伯努利家族的直接影响下出现的一位著名的数学家。

哥德巴赫是在伯努利家族直接影响下出现的另一位数学家,他因提出“哥德巴赫猜想”而著名。

哥德巴赫于1690年在德国出生,他并不是从小就对数学感兴趣而走上数学研究之路的,曾在英国牛津大学法学系留学。在欧洲各国的旅行过程中,他结识了伯努利家族,被这个家族的辉煌业绩所吸引,开始对数学产生兴趣,才走上业余研究数学的道路。

1725年,哥德巴赫作为普鲁士的驻外使节出使俄国。欧拉来到俄国彼得堡科学院后,哥德巴赫即前往拜访,双方共同探讨一些数学问题。

1741年,欧拉离开彼得堡,前往柏林科学院,哥德巴赫留居在莫斯科。

两人为了探讨问题,始终保持书信联系。

欧拉曾与300多名欧洲学者通信,用自己闪光的思想,照耀他人深入探索的道路。哥德巴赫每次来信,欧拉都在百忙中抽出宝贵的时间,对这位俄罗斯的朋友予以回复、商讨。哥德巴赫的不少数学成果,都是在与欧拉通信的商讨过程中取得的。

1742年6月7日,哥德巴赫在给大数学家欧拉的信中,提出这样一个猜想:每一个偶数都是两个素数的和,简记为:(1+1);每一个奇数或者是一个素数,或者是三个素数之和。

素数是自然数中除了1和它本身外,并无其他因子的数。这个命题的叙述虽然简单,举例也易验证,例如,4=2+2;6=3+3;12=7+5;100=97+3等等,但给出一般的证明却十分困难。

同年6月30日,欧拉就这一问题给哥德巴赫的回信指出,解决这个问题的关键在于,充分证明每一个偶数都是两个素数之和,其他问题可以从这一问题中推导出来。

由于这个问题是哥德巴赫最先以猜想的形式提出来的,后来的数学家把它称为“哥德巴赫猜想”,或者称为哥德巴赫——欧拉问题。

哥德巴赫猜想提出后,许多数学家对它进行求解,并创立了一些新的数学方法,取得了一系列新成就,促进了数学的发展。

然而,素数的个数是无限的,对于任何给定的自然数,断定它是否为素数,至今还没有有限的方法。

值得称道的是,在1973年,我国数学家陈景润证明了,每个充分大的偶数都可表示为一个素数及一个不超过两个素数乘积之和,简记为(1+2)。

例如62=7+5×11等。从而走到了解决这个问题的世界前列。

1764年,哥德巴赫逝世。

哥德巴赫猜想的彻底解决,有待数学家的努力。

拉格朗日

前面说到,在1766年,担任柏林科学院物理数学所所长的欧拉要重返彼得堡。临行前,普鲁士国王腓特烈大帝请尊贵的欧拉推荐一位继任者。

欧拉毫不犹豫地说:“继任者非拉格朗日莫属!”

拉格朗日是法国数学家、力学家和天文学家。1736年1月25日,他出生于意大利西北部的都灵,祖父是法国驻守都灵的骑兵上校,祖母是都灵人。

他的父亲是陆军的会计头目,后又经商,希望儿子学法律,成为商业上的接班人。但拉格朗日对法律并不感兴趣,只是喜欢文学,经常阅读文学方面的书籍,偶尔也看一些科技方面的著作。

在17岁那年,有一次,他读到了天文学家哈雷写的一篇文章,文中介绍了大科学家牛顿在微积分方面的成就。拉格朗日深受启发,对其中的观点和有关科学知识产生了兴趣,从此迷上了数学和天文学。不久,拉格朗日进入都灵皇家炮兵学院学习。由于他意志坚强,刻苦努力,数学成绩突飞猛进,进步之快,使人震惊,并成为了数学通,还没有毕业就担任了该院的部分数学教学工作。

1754年,年仅18岁的拉格朗日撰写出第一篇论文,内容是用牛顿的二项式定理处理两函数乘积的高阶微商。

1755年8月12日,拉格朗日就等周问题写信给柏林科学院数学部主任欧拉,给出了用纯分析方法求变分极值的提要。

欧拉也研究了这个问题,不过用的是几何方法。拉格朗日的新方法,引起了欧拉的极大兴趣。为了鼓励年青人奋发进取,9月6日,欧拉回了一封热情的信,肯定了他的工作价值,祝贺他取得的巨成就,对变分法的创立做出了贡献。

拉格朗日也认为这是一篇有意义的论文。这篇论文使他在都灵出了名。

9月28日,拉格朗日被任命为都灵皇家炮兵学院的数学教授。这时他仅19岁,居然跃到了数学家的行列中。

拉格朗日是一个进取心非常强的人,他不满足教授的职务,而是广泛地阅读数学名著,不断地探索。他的研究范围广泛,涉及的数学分支非常多,如数论、代数方程论、微积分、微分方程、变分学、制图学、力学、天体运行等。

1756年,拉格朗日在给欧拉的信中,开始把变分法用于力学,还把欧拉关于有心力的一个定理推广到一般动力学问题。由于欧拉的推荐,拉格朗日被任命为柏林科学院的通讯院士,接着又被选为该院的外国院士。

1757年,拉格朗日和其他年青科学家创立都灵科学协会,即都灵皇家科学院的前身,并创办学术杂志《都灵文集》。他为刊物写了大量高质量的论文,使这家刊物在学术界享有很高的声誉。

他本人也于1764年和1766年因为在天文学研究中取得的成果,而两次获得巴黎科学院奖。拉格朗日的名字传遍欧洲,引起世人瞩目。

1766年5月,欧拉离开柏林前往彼得堡。由于欧拉和法国数学家达兰贝尔的推荐,于是腓特烈大帝亲自写信给拉格朗日说:“欧洲最伟大的君王希望欧洲最伟大的数学家到他的宫廷里来。”

拉格朗日于8月离开都灵,前往柏林,就任柏林科学院物理数学所所长,时年30岁。

1767年9月,拉格朗日和他的表妹结婚,终生没有孩子。

拉格朗日在柏林科学院工作了21年,他把全部精力都倾注在科学研究上,完成了大量重大研究成果,为一生研究中的鼎盛时期。他的研究方法及其成果,受到同时代科学家的高度赞扬。

拉普拉斯写信给他说:“你的分析漂亮且普遍适用。你对坐标的幸运的选择,你处理微分方程的方法,特别是那些关于二分点的运动和月球赤道倾角的论述,所有这一切以及你那卓越的成果使我极为羡慕钦佩。”

1783年,拉格朗日任都灵科学院名誉院长。1786年8月,腓特烈大帝去世,德国对科学家的重视不像以前了。于是,拉格朗日接受法王路易十六的邀请,1787年7月到巴黎科学院工作。

在巴黎,他先担任公制委员会委员,接着担任度量衡委员会主席。晚年致力于数学教育,担任巴黎高等师范学校以及理工科大学的教授,不断有新的成果问世。他还编写数学教材,培养了一大批优秀人才。

拿破仑在雾月政变后,任命拉格朗日为元老院议员,封他为伯爵,1813年4月3日,授予他帝国大十字勋章。

拉格朗日的一生,在数学、力学和天文学方面做出了重大的历史性贡献。

拉格朗日奠定了变分法的基础。变分法问题是确定一个未知函数,使未知函数的定积分达到极大或极小。如“周长一定的平面图形中,以圆的面积最大”就是变分法中的一个古老的问题。

拉格朗日用纯分析的方法研究了变分法中范围很广的一类问题。1760年,他发表的“关于确定不定积分式的极大极小的一种新方法”,是用分析方法建立变分法的代表作。

在这篇论文发表前,他写信给欧拉,称此文中的方法为“变分方法”。

欧拉肯定了,并在自己的论文中正式将这种方法命名为“变分法”。从此开始,变分法这个分支才真正建立起来。

拉格朗日发展了微积分理论。他对常微分方程的奇解和特解做出了历史性贡献,是一阶偏微分方程理论的建立者。晚年完成了两大巨著《解析函数论》和《函数计算讲义》。打算用纯粹的代数方法为微积分学奠定理论基础,为后来微积分学的严密论证树立了榜样。

拉格朗日研究了代数方程的解法。他的数学思想非常活跃,在研究高次方程的代数解法时,特别注意方法和思考。

他分析解三次方程和四次方程的各种方法,看看为什么这些方法能把方程解出来,看看这些方法对于解更高次的方程能提供什么线索。由于拉格朗日研究问题的深刻性,他的方法对求解一般的二次、三次、四次方程都卓有成效。他试图解五次方程,但没有成功。

从这里,拉格朗日首先引出了群的思想,可以说,他是群论的先驱。后来,年轻数学家伽罗华的研究成果和拉格朗日的思想方法有密切的联系。说明拉格朗日有丰富的想象力和非凡的洞察力。

拉格朗日是分析力学的创立者。他在1788年出版的《分析力学》一书,就是分析力学这门学科建立的代表作。这部著作倾注了他大量的智慧和经历,历时37个春秋。

牛顿的力学理论仍用几何方法讨论,18世纪中期,欧拉和达兰贝尔开始用分析方法,拉格朗日在力学分析方面最出色。他把一生的全部力学论文以及同时代人的力学贡献,都归纳到这部著作里。

拉格朗日在这方面的最大贡献是把变分原理和最小作用原理具体化,而且用纯分析方法进行推理,成为拉格朗日方法。他首先引用广义坐标概念,一个力学系统可用有限个坐标表示,故广义坐标又称为拉格朗日坐标。

拉格朗日在这部著作里,利用变分原理,建立了优美和谐的力学体系,把宇宙描绘成为一个由数字和方程组成的有节奏的旋律,把动力学发展到登峰造极的地步,并把固体力学和流体力学这两个分支统一了起来,奠定了现代力学的基础。

英国物理学家和数学家哈密顿,把这部著作誉为“科学诗篇”。

《分析力学》是牛顿以后最伟大的经典著作。

拉格朗日是天体力学的奠基者。他建立起各类天体的运动方程,其中特别是根据他在微分方程解法的任意常数变异并与斯科特的队伍暗中较上了劲。

阿蒙森一行一个个身强力壮,对极地的风雪和严寒气候适应能力很强,他们曾经三次到北极地区去探险。

他们向南极极点进发的时候,正遇上了南极地区难得的好天气,52条爱斯基摩狗拉着四架雪橇,一路小跑,只用了57天的时间,于1911年12月14日率先到达南极极点,成为世界上最早征服南极极点的人。

面对这种情况,斯科特一行就像泄了气的皮球似的,怎么也提不起精神来,他们不愿相信自己所有的努力和心血,只使得他们得了个亚军。

他们无力从失败的心态中自拔出来,一个个斗志松懈,无精打彩,有气无力地开始返回基地。他们的心情实在是坏透了。

这时,南极的天气也变得更加肆无忌惮,连日的暴风雪使他们不得不躲进帐篷里,食物也快没有了,另外四个伙伴已因疾病和严寒而倒下了。

忽然,又一阵狂风吹过来,把他们居住的帐篷连根拔了起来。斯科特赶紧用自己早已冻得僵硬的手,歪歪扭扭地写完最后一篇探险日记,然后就再也站不起来了。

斯科特和他的战友们紧紧地拥抱在一起,倒在了南极这块圣洁的冰雪世界,然后又迅速地和南极冻结在一起。

斯科特和他的伙伴们,不愧为人类征服南极的第一批拓荒者,他们的大无畏的献身精神,充分显示了人类征服自然的伟大力量。

1957年,美国在南极极点建立了科学考察站,这个考察站被命名为“阿蒙森-斯科特站”。

1813年4月10日,拉格朗日病逝于巴黎。

由于他一生的科学研究分为三个时期:都灵时期、柏林时期、巴黎时期,所以拉格朗日逝世以后,意大利百科全书说他是意大利数学家,法国百科全书说他是法国数学家,德国的数学史说他一生的主要科学成果是在柏林完成的。

无论三国怎样争论,在科学史上,拉格朗日是“总结了18世纪的科学成果,开辟了19世纪数学研究道路”的科学天才。

拿破仑赞美“拉格朗日是一座高耸在数学世界的金字塔”。

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