自牛顿和莱布尼兹创立微积分到现在,已经三个世纪了。恩格斯说:在一切理论成就中,未必再有什么像17世纪下半叶微积分的发明那样,被看作是人类精神的最高胜利了。
下面,讲几个早期的例子,看看微积分是怎样推动自然科学向前发展的。
地球的模样
18世纪的欧洲,随着科学的进步,人们逐渐认识到地球不是一个很圆的球体,而是有一点扁,是一个扁球体。地球是怎样扁法的呢?在那时却有着两种截然不同的认识,形成了两个对立的学派。
一派是以法国巴黎天文台台长卡西尼为首的法国科学家。他们根据法国哲学家笛卡儿的宇宙学说,认为地球在南北两极是伸长的,像一个直立的鸡蛋。但是,牛顿利用力学原理,用微积分等数学工具,对地球的形状进行了计算,算出地球的形状在两极是扁平的,扁平率为1230。这就形成了另一派。两派争论激烈,谁也说服不了谁。
为了让事实作出回答,1735年,法国巴黎科学院同时派出两支测量远征队,进行大地测量,以便判定谁是谁非。一支测量队到南美秘鲁的别鲁安,另一支测量队到北方的拉普兰德。测量的结果,表明了地球是扁平的。
地球扁平形状的确定,是牛顿力学的胜利,也是微积分的胜利。
哈雷的功绩
彗星是一种特殊的天体。它有一颗明亮的彗头,拖着一条美丽的彗尾。在很长的时期里,人们不了解彗星是什么东西,以为它在天上一出现,地上就要发生大灾大难。
科学从它产生的那天起就是反对迷信的。1682年,英国天文学家哈雷,对那一年出现的一颗彗星进行了计算,又整理了从1337年以来有关彗星的记录。他根据微积分计算出来的结果,宣布这颗彗星在1758年还要回来的。
1743年,法国数学家克雷罗,考虑到木星和土星对这颗彗星的影响,用微积分重新进行了计算。克雷罗指出:这颗彗星由于受木星和土星的影响,将不在1758年,而是在1759年再一次出现。到了1759年,这颗美丽的彗星果然又一次出现在夜空中。
这颗彗星的按期出现,证实了哈雷预言的正确,为了表彰哈雷的功绩,后来,人们就把这颗彗星叫做“哈雷彗星”。
在我国史书上,有这颗彗星出现的最早和最完整的记载,第一次是在公元前611年。
把数算错了
细心的科学家有时也会算错数。根据推算,哈雷彗星将于1910年再一次出现。可是,因为在计算哈雷彗星轨道时算错了数,他们曾预言在1910年,哈雷彗星会与地球迎面相撞,一起毁掉。于是,教会乘机大作文章,说什么1910年是“人类的末日”。有的人害怕地球与哈雷彗星相撞,赶忙卖掉财产,吃喝玩乐之后,跳楼自杀了。后来科学家发现轨道计算错了,又重新进行了计算,结果是地球并不会与哈雷彗星迎面相撞,而只是穿过哈雷彗星的尾部。
一波未平,一波又起。又有人造谣说哈雷彗星的尾部是由剧毒气体组成,人类即使不被哈雷彗星撞死,也会被剧毒气体熏死。有人出主意,让每家准备好大水缸,装好水,等哈雷彗星一到,人立刻钻进水缸里去。还有的药店,兜售什么“彗星药丸”,说吃了就可以不被毒死。
1910年,人们怀着紧张的心情,等来了哈雷彗星。可是,除了看见美丽明亮的哈雷彗星外,全世界安然无恙。
根据计算,哈雷彗星下一次将于1985年末出现。
发现海王星
太阳系有九大行星。由里往外数,最外面的三颗,依次是天王星、海王星和冥王星。这三颗行星,因为离地球越来越远,不容易看到,所以一个比一个发现晚。
1781年,英国天文学家赫歇耳,用望远镜发现了天王星。在研究天王星运行轨道时,发现实际观察的轨道,与根据力学原理,用微积分等数学工具计算出来的轨道不相符合。这是为什么呢?当时就有人预言:在天王星的外面,可能还存在着一颗尚未发现的新行星。可是,在无边无际的天空,到哪儿去找这颗新行星呢?
64年过去了。到了1845年,英国剑桥大学数学系学生亚当斯,根据力学原理,利用微积分等数学工具,进行了一系列困难的计算,算出了这颗新行星的轨道。这年10月21日,他把计算的结果,寄给了英国格林威治天文台台长艾利,可惜没有引起重视,也没有人用望远镜去寻找这颗新行星。
比亚当斯稍晚,法国巴黎天文台青年科学家勒威耶,用微积分等数学工具,计算了由几十个方程组成的方程组,算出了这颗新行星的轨道。1846年9月18日,勒威耶写信给当时拥有详细星图的柏林天文台的伽勒。他在信中写道:“请你把你们的天文镜指向黄经326°外的宝瓶座内的黄道的一点上,你就将在离此点的1°左右的区域内,发现一个圆面显明的新行星。”伽勒于1846年9月23日夜间,就在离所指点相差52′的地方,发现了这颗新行星。人们给它取名海王星。
这颗新行星的发现,完全是根据力学原理,用微积分等数学工具算出来的。因此,人们称海王星为一颗笔尖上的行星。
1915年,美国天文学家洛韦耳,用同样方法算出了太阳系中最远的一颗行星——冥王星的存在。1930年,美国的汤波真的发现了这颗行星。
利用微积分进行计算,人们还解决了月亮会不会撞到地球上的问题。
当时天文观测的结果表明,月亮的轨道正在不断缩小。人们开始担心是不是有那么一天,月亮会和地球相撞呢?后来用微积分计算,证明了月亮轨道的缩小是周期性的,缩到一定程度后还要开始膨胀,根本用不着杞人忧天,担心月亮和地球相撞。
一门生命力强的学科,必须有坚实的理论基础。微积分的基础是极限理论。微积分创立于17世纪,可是极限理论的提出却相当晚,它是在19世纪,由法国的柯西和德国的维尔斯特拉斯提出来的。
在极限理论产生之前,人们对微积分的基础有着各种不同看法和争论。当时,虽然在科学研究中广泛使用微积分,可是对于什么是微积分的基础,却没有一个共同的认识。恩格斯说过:大多数人进行微分和积分,并不是由于他们懂得他们在做什么,而是出于单纯的相信,因为直到现在得出的结果总是正确的。
极限理论的产生,统一了人们的认识,推动了微积分的发展。
1960年,美国数学家鲁滨逊运用数理逻辑的科学方法,把微积分建立在一种新的数学理论之上。科学家为了区别以极限理论为基础的微积分,把在新基础上建立起来的微积分叫做“非标准分析”。
非标准分析问世20年来,引起了数学界的广泛注意,也产生了一些不同的看法。有的数学家认为,非标准分析比传统的微积分更严谨,更适用于进行理论上的探索。也有的数学家认为,非标准分析把传统微积分中丰富的思想砍掉了;个别人甚至把传统微积分比做一个美女,说非标准分析是一具“美女的骷髅”。
认识在争论中提高,科学在争论中发展。明天的微积分,一定会更加完善、充实和有用!