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第7章 阳光下的数学(4)

当时的欧洲弥漫着“宇宙不变论”的沉闷气氛,而地位低微的康德却很少保守思想,他不断学习,勇于接受新事物,不畏名人权威,23岁时曾在一次讲演中说:“我若是想发现真理,那么牛顿、莱布尼茨的威仪,应当丝毫不顾。”他冒着遭受宗教势力围攻的危险,研究天体演化理论,大胆地提出“给我物质,我就用它造出一个宇宙来!”31岁时就出版了巨著《宇宙发展史概论》。

达兰贝尔与拉普拉斯

敲开达兰贝尔的家门

《宇宙发展史概论》出版41年后,即1796年,法国天文学家拉普拉斯在他的《宇宙体系论》一书中,提出了与康德类似的星云假说,人们才重新复兴了康德的思想。1799年,《宇宙发展史概论》再版。为了纪念这两位伟大的科学家,人们把宇宙起源于原始星云的学说,称为“康德——拉普拉斯星云假说”。

拉普拉斯,1749年出生在法国诺曼底卡尔瓦多斯县的一个村庄,是一个农民的儿子,从小刻苦勤奋,对数学很感兴趣,16岁进入开恩大学。后来他在天文学、数学、力学方面做出了巨大贡献。

拉普拉斯这位“千里马”的成就,是与“伯乐”达兰贝尔分不开的。

达兰贝尔是什么人?

1717年冬天,和往年一样寒风刺骨,在一个冰冷的夜晚,繁华的法国巴黎也显得凄凉,街道上看不见人影,冷冷清清。

突然,在街头巡逻的一名士兵,在寒风中隐约听到了婴儿的哭声,他便顺着声音的方向找寻,发现在圣哲勒教堂边有一个孤独的婴儿,已被冻得奄奄一息。

“他的父母呢?”周围没有一个人影。

“肯定是被遗弃了!”

士兵自言自语。

怜悯之心油然而起,士兵抱起这个无助的婴儿,请求一个贫穷的玻璃匠抚养。

谁也没有想到,这个马路边被遗弃的婴儿,就是后来闻名于世的大科学家达兰贝尔。

好心的玻璃匠,把这个弃儿抚养长大,送他上学读书。

达兰贝尔对自然科学很有研究,22岁时向巴黎科学院呈交了关于固体在流体中运动和积分学的两篇论文而获得知名度,被选为法国科学院院士,从此开始了科学生涯。

这一时期,法国封建专制统治非常腐朽,丰年满目疮痍,荒年饿殍载道。

天主教会肆无忌惮地推进文化专制主义和蒙昧主义,进一步把法国推入黑暗的深渊。

在思想文化领域,教会大肆散布宗教迷信,极力煽动宗教狂热,迫害“异端”。在当时,宗教迫害案层出不穷,巴尔案就是惊人的一例。

19岁的青年新教徒巴尔,被控玷辱了阿倍维耶城一座桥上的木制基督像,而被判处火刑。教会反动分子丧心病狂地折磨巴尔,割去他的舌头,砍掉他的右手,然后在广场上将他烧死。

天主教会的思想统治达到了多么疯狂的程度。

法国的科学受到了严重的摧残,社会经济陷入了深重的危机。

英国则是另一番局面。

英国大力倡导科学,涌现出一大批科学巨人,大科学家牛顿、物理学家胡克、天才天文学家哈雷、化学家波义耳等掀起了科学革命的风暴。科学的繁荣促进了工业革命的进程,使社会经济迅速发展。

法国的有识之士不甘祖国的落后,寻找腾飞的良策。他们清醒地认识到,国家的振兴要靠全民族的共同努力。为了发挥人民的聪明才智,必须把他们的思想从宗教神学的牢牢禁锢中解放出来。

18世纪20年代,伏尔泰和孟德斯鸠吹响了思想启蒙运动的战斗号角。

这次思想启蒙运动,涉及哲学、政治学、经济学、文学艺术、科学教育等各个思想领域,是西欧近代最壮观的一次文化革命。

著名的《百科全书》的编撰和出版是启蒙运动的高潮。

1750年,达兰贝尔和哲学家狄德罗,组织了160多位科学家、思想家等社会各界知名人士,编写《百科全书,或科学、艺术、技艺详解辞典》,简称《百科全书》。

《百科全书》是科学知识的总汇。达兰贝尔是前7卷的主编,并亲自撰写了“动力学”和“几何学”等内容,为此书做出了很大贡献。

《百科全书》广泛宣传了科学,沉重打击了宗教迷信和封建思想,使科学知识在全民的范围内开始普及,给沉闷的法国科学吹来了融融的春风,从20世纪70年代起,科学事业走向繁荣,一代新人脱颖而出,拉普拉斯就是其中杰出的一位。

再说拉普拉斯在开恩大学毕业后,只身一人,带着几封名人的推荐信前往巴黎,拜见负有盛名的学者达兰贝尔。

“咚,咚”,满怀信心的拉普拉斯敲响了达兰贝尔家的大门。

门开了,一个陌生的小伙子站在面前。

拉普拉斯立即掏出推荐信,呈给他崇拜的科学前辈。

当看到要为来人在巴黎找职业时,达兰贝尔皱起了眉头。

“我无能为力。”

“砰”门关上了。

拉普拉斯失望地返回住处。

他不甘心。此次来巴黎就是要找一个能发挥自己才能的职业,为科学做贡献,为法国做贡献。

他不气馁,立即就力学一般原理写了一封论文式的求教信,以自己的才能打动达兰贝尔。

送兰贝尔在信中惊讶地看到,这位青年知识丰富,很有见解,是一位了不起的人才,日后定成大器。便热情地接见了拉普拉斯,并推荐他到巴黎军事学校担任数学教授。

拉普拉斯赶走上帝

达兰贝尔慧眼识英才,不徇私情举荐有为青年,被传为佳话。拉普拉斯由此开始他的科学的政治生涯,没有辜负前辈的厚望,在科学上作出了卓绝的贡献。

1796年,拉普拉斯的《宇宙体系论》出版。在书中叙述了天文学史和牛顿力学体系,最精彩的是他独立完成的天体起源的星云假说。

拉普拉斯假设形成太阳系的原始星云,是一团温度很高并缓慢旋转的稀薄物质,占据比现在太阳系范围还大的空间,星云内各质点由于相互吸引的作用,使它成为球形并向中心高度密集。这个星云逐渐冷却和收缩,随着半径的减小转动必然越来越快,离心力也不断加大,使星云逐渐变成扁平的圆盘状,其中心形成更加密集的凝聚体——这就是原始的太阳了。

拉普拉斯还进一步分析了行星及其卫星的形成过程。由于星云继续收缩,旋转不断加快,就使一定距离上的离心力等于向心力,此地的物质便离开星云而独立,形成第一道圆环。星云不断收缩,又分离出第二道、第三道圆环,直到最靠近中心体的一环。

围绕中心体旋转的第一环内的物质,由于相互吸引而聚集,后来环断裂了,就成为原始的行星。在行星周围的物质以同样的过程形成卫星。

拉普拉斯认为土星光环就是还没有完成演化的原始状态的遗迹,是星云假说的自然结果。

从拉普拉斯的星云假说内容看,和康德在1755年提出的假说内容虽然有所不同,但是很相似。康德主要是从哲学的角度入手的,而拉普拉斯比康德有更多的力学基础和物理学依据,并进行了数学论证。《宇宙体系论》比《宇宙发展史概论》产生了更深远的影响。

正是由于拉普拉斯的“星云说”才使人们想起了康德的“星云说”。拉普拉斯严格的计算和准确的说明,使天体起源于星云的看法得到了很多人的承认。所以,人们通常把这两个假说合称为“康德一拉普拉斯星云假说”。

1799年,拉普拉斯发表了《天体力学》,在这一重要著作中,进一步发展了行星运动的摄动理论。

据说,有人告诉拿破仑,说拉普拉斯在他的《天体力学》中没有提到上帝。拿破仑便问拉普拉斯:“您的宇宙体系的大作中,为什么没有提宇宙的创造者?”

“陛下,我不需要那样的假设。”拉普拉斯回答。

拉普拉斯把上帝从宇宙中赶出去,是他的一大功劳。

拉普拉斯在数学方面也有很多贡献。在行列式方面,创立了拉普拉斯展开定理;对代表万有引力的位势方程的求解做出了贡献,后来称这个方程为拉普拉斯方程;在概率论方面,1812年出版了《分析概念论》,导入了“拉普拉斯变换”。

在法国大革命时期,拉普拉斯积极参与,还曾参加巴黎高等师范学校和工科大学的组织工作。

在政治上,据说他有些趋炎附势,容易改变自己的政治操守,因此得到政府给予的很多荣誉。1799年,拿破仑发动雾月政变上台后,封拉普拉斯为帝国伯爵,授予他荣誉军团大十字勋章和骑士团勋章,甚至让他担任过内务大臣。后来在波旁王朝复辟时期,路易十八任命这位曾参加法国大革命的科学家担任巴黎工科大学委员会主席。

1827年,拉普拉斯因病逝世。

康德和拉普拉斯的星云假说,猛烈地抨击了神学自然观,确立了科学的天体演化理论,成为19世纪科学发展的先导。

但对康德、拉普拉斯和他们的星云说,我们都应采取一分为二的分析态度。

康德对神学自然观中的宇宙不变论的批判是不彻底的。他一面论证自然界的发展遵循自然的规律,另一方面又声称这个规律本身就是“神的意志”;一方面论述宇宙的无限性,另一方面又含糊地暗示宇宙有中心,时间有开端。

同时,他感叹人类的理解力对广阔无垠的宇宙“无能为力”。

拉普拉斯虽然赶走了上帝,但作为天文学家和数学家,他把计算方法和计算结果神圣化,导致“拉普拉斯决定论”。在1812年,他提出“神圣的计算者”概念,他认为,计算者只要知道宇宙中的一切物质微粒在确定时刻的位置和速度,那么它的过去和未来一切都能计算出来。从而说明宇宙一切都是决定了的必然性。

星云假说是那个时代的产物,随着时间的推移,科学上新发现的许多事实,都是星云假说无法解释的,暴露了其本身的弱点。

数学之王

高斯,1777年4月30日生于德国布伦什维克,父亲是一位勤杂工,没有受过正规教育,母亲是一位石匠的女儿。

高斯的舅舅是一位精明能干又懂得不少知识的商人,经常给他讲故事,并教他读书写字。

高斯有一个出众的数学头脑,很小就表现了杰出的数学才能。在他3岁的时候,有一次,当工头的父亲正在算账,给工人发薪水,这时小高斯怯生生地说:“爸爸,您算得不对,应这样算。”

原来,小高斯一直暗地里跟着父亲计算。

“真的吗?”父亲惊异地复核了一次,果然孩子说的是正确的。

7岁时,高斯上了小学,特别喜欢算术课,在他三年级时,又一次表现出了他非凡的数学才能。

一天,彪特耐尔老师照例来上算术课。

“今天我给大家出一道难题,计算从1到100所有数字的总和,看谁能做出来,如果做好了,就把答案送到讲台上来。”彪特耐尔看不起这些农村的孩子,不安心在乡村小学的教学工作。

这一道题对于小学生来说,确实是一道难题,只见其他同学都在费劲地把数字一个接一个地相加着,但没过多久。小高斯就把答案交到讲台上去了。

答案是5050,一点没错!

高斯怎么算得如此迅速呢?原来他没有把100个数字机械地累计相加,而是发现了其中的规律,就是距两端等远的两数之和都等于101,即1+100=101;2+99=101;3+98=101;……

50+51=101。

这样一共是50个101,就推出从1到100的数字总和是:

50×101=5050

高斯的才华使彪特耐尔非常惊异,同时感到内疚。他原来认为农村孩子笨,而高斯比城里的孩子还要聪明,从此他便安心于乡村教学,努力教好这些孩子们。为了使高斯的求知欲能在自己的课堂之外得到更多地满足,老师特地从汉堡买来各种数学书送给高斯。

在这以后的几年里,彪特耐尔悉心教导高斯,和他一起讨论问题,促使高斯加速进入数学王国。

由于高斯在童年时代就表现了惊人的数学才能,因而受到了布伦什维克公爵的重视,他答应资助高斯接受高等教育。1792年,高斯被送到卡罗琳学院深造。

1795年,高斯进入哥廷根大学。从此踏上了科学研究的道路,在数学、物理学和天文学方面都做出了杰出的贡献。

在数学方面,高斯第一个用尺规作出了正十七边形,解决了这个数学史上著名的难题。

尺规作图,是古希腊学者提出的数学问题。在高斯以前,人们已经能用直尺和圆规作出正三边形、正四边形、正五边形、正六边形、正十边形和正十二边形。当他们试图作正七边形、正十一边形、正十七边形时,遇到了很大的困难。

于是他们认为这样的正多边形不可能用尺规作出。高斯把正十七边形作出来了,是一个非常了不起的成就,推翻了人们的错误认识。高斯还进一步证明了这种作图可能性的条件。

在代数学方面,高斯证明了代数基本定理,即每个代数方程必具有一个复数形式的根。在数论中,他19岁时就发现并证明了二次互反律。他证明了算术基本定理——每个自然数都可以表示为素数乘积的形式,而且这种表示是惟一的。

高斯还对数学的许多分支,像复变函数、微分几何、超几何级数、统计数学、椭圆函数论、分析等都有重大贡献。

由于他对数学的许多贡献和许多新思想,而受到了所有数学家的赞誉。

一位数学家说:“如果把18世纪的数学家想像为一系列的高山峻岭,那么最后一个使人肃然起敬的峰巅是高斯——那样一个广大的丰富的区域充满了生命的新元素。”

由于高斯的光辉成就,他受到了同代及后代人的赞扬和尊重,并称他为“数学之王”。

高斯一生善于独立思考,不断地学习和钻研。他对自己的论文都是深思熟虑并经过反复修改才拿去发表,不成熟的论文决不发表。他的座右铭是:

“宁可少些,但要好些。”

但是,高斯的谨慎、求全、求好的品德,一方面在某种程度上影响了他的聪明才智更好地发挥,一方面由于他不愿意把不成熟或他自己认为不成熟的数学思想公诸于世,而又影响了数学的更快发展。

美国数学家贝尔曾说:在高斯死后,人们才知道他早就预见了一些19世纪的数学,而且在1800年之前已经期待它们的出现。如果他能把所知道的一些东西泄漏,很可能现代数学比日前还要先进半个世纪或更多的时间。

高斯对千古之谜的第5公设问题也进行了研究。

早在1792年高斯15岁时,就有了非欧几何的思想萌芽,17岁时发现欧氏几何平行公设不能成立。

高斯在进行大地测量学的研究中,对球面内的几何学进行了研究。后来在研究前人经验的基础上,用包括反证法在内的各种方法对第5公设进行了试证。

经过多年的探索,高斯在1816年终于发现,第5公设根本不可证明。并由此发现,在欧氏几何之外,实际上还存在另外一种几何,高斯先后把它称为:“反欧几里德几何”、“星际几何”、“非欧几里德几何”等,这就是“非欧几何”。

高斯的非欧几何思想十分卓越,而且形成得很早,多次发现了一些重要定理。

由于欧氏几何根深蒂固,同时,早已闻名于欧洲数学界的高斯特别谨慎,又受康德唯心主义学说的压力,而害怕别人嘲笑他“无知”,怕人们发出“愚人的叫喊”和攻击,不敢发表自己的观点和研究成果,并终止了对非欧几何的研究,直至1855年2月23日逝世。

这样,一朵有可能在高斯那里开出的科学之花,含苞萎缩了。

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