书城童书《数学知识篇》(上)
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第5章 著名数学家的故事(3)

“高斯提出的问题我已经考虑好久了。其中的习题有的我已经做了好几遍了。”当伽罗华讲述他理解此题的经过和思路时,讲到精采处,理查情不自禁地鼓起掌来。他对其他教师说:“伽罗华最适宜在数学的尖端领域中做研究工作。”之后,他帮助伽罗华撰写了第一篇数学论文《循环连分数定理》,并推荐在《纯粹与应用数学年鉴》上发表。

16岁时,伽罗华考入巴黎师范大学。入学半年,他向法国科学院提交了有关群论的第一篇论文。不久,他又以超人的才气完成了几篇数学研究文章,以应征巴黎科学院的数学特别奖。谁知命运对他极不公正,使他连遭厄运。

当科学院第一次审查会开始时,法国数学家柯西是一位心胸狭隘的人。当他打开公文包时,耸耸肩,却说:“非常遗憾,伽罗华的论文不知怎么丢失了。”于是审查会不得不草草收场。伽逻华还曾向法国科学院寄过几篇数学论文,经手的人是常务秘书傅立叶。傅立叶也是一位大数学家。岂知事不凑巧,傅立叶接到手稿后不久去世了,人们在他的遗物中也没有找到伽罗华的手稿。

1831年1月17日,科学院第三次审查伽罗华的论文。

主持人是大数学家泊松。泊松出于傲慢与偏见,认为伽罗华只是一个普通高校的普通大学生,难有什么创见,因此没有认真听伽罗华的论文宣读,便草率地下了一个结论:“完全不能理喻。”

尽管命运如此不公,但伽罗华仍继续他的数学研究。他涉足了方程论、群论、可积函数等众多领域,创立了“伽罗华理论”,为群论打下了坚实的基础。除此之外,他还在数学中建立了许多概念,他的研究成果在大量的、各种各样的数学研究中得到广泛应用。在他的著作基础上,产生了许多全新的数学分支……伽罗华还是一个倾向民主共和的积极分子。为了纪念法国人民攻占巴士底狱,他参加了反对复辟王朝的群众游行示威,并因此被逮捕,在狱中被关押8个月。

就在他出狱不久,为了一桩至今仍是谜团的恋爱纠纷,被迫接受决斗,因而惨死枪下。

也许他知道此次决斗凶多吉少,于是他留下了遗言给他的同伴。信中写道:“我请求大家不要责备我不是为自己的祖国而献出生命……苍天作证,我曾经用尽办法试图拒绝决斗,只是出于迫不得已才接受了挑战。”

他还在自己留下的60页数学手稿中留下了字条:“这个论据需要补充,现在没有时间。”

伽罗华英年早逝,无疑是数学界的一大损失。一些大学者们认为,他的死,“至少使数学发展推迟了几十年。”

玻洛汉姆桥上的数学发现

爱尔兰的都柏林市有一座名叫玻洛汉姆的桥。至今,桥头仍立着一块石碑,碑文刻的是:“1843年10月16日,当威廉·哈密顿经过此桥时,他天才地发现了四元数的乘法基本公式。”人们经过这里,都要驻足观看碑文,缅怀哈密顿对科学的伟大贡献。

哈密顿,1805年生于爱尔兰首府都柏林。他的父亲是一位律师兼商人,母亲是名门小姐,父母都很有才华。但是,到他14岁时,双亲都不幸相继去世。从此,他的叔叔詹姆士·哈密顿成了他的监护人。詹姆士是一位精通多种语言的专家,哈密顿从小就受其影响,在语言上得到了早期发展。正是早期的语言发展,提高了他的逻辑思维能力,为他在数学的成就奠定了基础。

12岁时,哈密顿读完了《几何原本》,接着,又读完了法国数学家克莱罗的《代数基础》。13岁时,从美国来了一位数学神童。于是,两位神童互相切磋,取长补短,使他在数学上的兴趣大增。17岁时,哈密顿就掌握了微积分,并学会了计算日食和月食的数理天文学。18岁时,他参加了都柏林三一学院的入学考试,在100多名考生中,他以第一名的成绩被录取。

1827年,22岁的哈密顿大学还没有毕业,就写成了《光线系统理论》的论文。这篇论文为几何光学的建立奠定了素材基础,并且引入了所谓光学的物征函数。后来,哈密顿又对该论文作了三个补充,从数学理论推演出,在双轴晶体中按某一特殊方向传播的光线,将产生折射光线的一个圆锥。这个论点后来被光学实验证实了。

当时学院里有一位很有影响的天文学教授叫布瑞克莱,他十分欣赏哈密顿的才华。1827年,布瑞克莱宣布辞去都柏林三一学院天文学教授的职位。他极力推荐,并说服校方,年仅22岁的哈密顿大学还没毕业,就成了布瑞克莱的继承人,成为天文学教授。与此同时,哈密顿又荣获了爱尔兰皇家天文学家的称号。

但是,哈密顿的志向不在天文学上,他全力以赴地钻研数学。1828年开始,他就着手研究四元数。四元数是实数、复数这个数系的发展,是超复数的一种,即属于四维矢量。用现代术语来说,它是一个线性代数的组成部分。

然而,经过十几年的苦心钻研,哈密顿仍然没有成功。

1843年,已经是他研究四元数的15个年头了。这年的10月16日黄昏,哈密顿的妻子见丈夫整日埋头书堆,劳累不堪,于是费了好大劲才把他劝动,拉他外出散步。

当时秋高气爽,景色宜人。哈密顿在妻子的陪同下,漫步在皇家护城河畔的林荫道上。一阵阵秋风吹来,带着成熟的果香。哈密顿贪婪地呼吸着河畔清新的空气,不禁心旷神怡。他暂时忘了他醉心的数学题目,陶醉在大自然之中。

他们夫妻俩走上了玻洛汉姆桥,驻足桥上,望着暮色中的街景桥影,哈密顿的大脑思维突然再度活跃起来,闪光、跳荡、寻觅、联想……突然,他的思维大门一下子打开了,智慧的冲击波冲破了以往的障碍束缚,他一下子悟出了四元数运算的奥秘。他立刻掏出随身携带的笔记本,把他头脑中闪光的要点迅速记录下来。追求15年之久的四元数研究目标,终于在玻洛汉姆桥上找到了它的解法。哈密顿唯恐思路中断,急忙拉起他的夫人往家里跑去,这时,其他散步的男女老少都用奇异的目光看着这一对怪人。

回到家里,哈密顿把自己关进书房,一连几天不肯出来,甚至连饭都得让人送进去。最后,他终于从数百页演算纸里,抄清出了一篇极有价值的论文。

1843年11月,哈密顿在爱尔兰科学院宣布发现“四元数”,从而轰动了当时的数学界。四元数的发现,有力地推动了向量代数的发展。过去,复数理论只可用于平面向量,而空间向量问题则要用四元数向量部分来解决。哈密顿还把四元数引入微积分,定义了描述函数的数量或方向两个方面的变化的一系列概念。例如“梯度”、“旋量”等,成为研究物理学、工程学的重要计算工具。

10年之后,哈密顿写成了《四元数讲义》,并于1857年发表。当时著名的物理学家麦克斯韦正在研究电和磁,他苦于无法描述电磁运动及其变化规律。电和磁都是带有方向性的量。要弄清电磁运动的规律,必须首先从数学方法上找到解决的途径。麦克斯韦曾长期用复数向量处理,却一直得不到正确结果。当哈密顿四元数问世后,终于使麦克斯韦走出困境,使他的电磁研究获得了成功,并得出了“麦克斯韦方程组”,预言了电磁波的存在。

哈密顿深知四元数在科学上的重大意义。于是,在他生命的最后20多年中,一直倾注全力进行研究。他预感到,四元数的应用将在物理界引起巨大的变革。可惜的是,在这种变革没有到来之际的1865年9月2日,他因为慢性酒精中毒而离开了人间,终年60岁。

领一代风骚的“数学王子”

1777年4月30日,德国的布伦瑞克城一个引水站站长家里新生了一个男孩,他就是卡尔·弗里德里希·高斯,一位天才的数学家。

高斯从小聪明好学,对数学有着得天独厚的天赋。3岁时,每当父亲和其他大人们计算水的帐目时,他都在一旁聚精会神地听着看着,对枯燥的数字有无限的兴趣。有一次,当他的父亲哥布哈德刚刚算完一笔支出帐,就听小高斯说:

“爸爸,这笔帐您算的不对!”

爸爸吃惊地看着3岁的小儿子,似信不信地把帐重算一遍。令他吃惊的是,自己算的帐真的错了!但他心里想:

“这也许是一次巧合吧。”

后来,这种“巧合”越来越多,哥布哈德才知道他的儿子是个天才。由于生意场上的失意,老高斯渐渐地颓废下去,时常用酒打发时光,他就把算帐的工作全部推给了不足10岁的小高斯。而小高斯不管帐目多么繁琐复杂,都能运算自如,表现出超常的计算能力。

读小学时,小高斯特别迷恋算术课。一天,数学老师伯特纳夹着手杖来上算术课,他对同学们说道:“现在给你们出一道题,请计算出从1到40所有数字的总和。谁做好了,就把答案送到我的讲桌上来。”

于是,孩子们都埋头书桌,教室里鸦雀无声。伯特纳老师悠然自得地放下手杖,坐在讲桌前看着这些孩子们。

谁知他刚刚坐稳,就见小高斯拿着练习本向他走来,轻松愉快地说:“老师,我做好了。”

伯特纳心想,他做得这么快,错误一定不少。便说:

“放下吧!”心里在想,等都交全了,我再教训这个毛草而神气十足的孩子。

过了许久,孩子们才把练习本全交上来,伯特纳特意拿起最先交的高斯的练习本。他看了一会儿便惊呆了!只见小高斯的练习本上整齐地排着20组加法:1+40,2+39,3+38,4+37,……,然后用一组乘法:41×20。得出了正确答案:820。无疑,这答案是正确的。老师望了一眼他想批评又批评不了的高斯,内心却受了很大震动。事实上,小高斯是在没有一点儿概念的情况下,发现了等差数列的规律及计算方法。

从此,伯特纳老师对小高斯刮目相看,并尽力地培养他。每当去汉堡时,都要买回各种数学课本给高斯看。这一切,使小高斯的数学才能大增。不久,小学还没毕业的高斯,其计算才能就引起了当地各界人士的注意。14岁时,高斯被引荐给当地最有名望的人物,布伦瑞克城的大公卡尔·费尔南多,费尔南多成了高斯的长期保护人。

在费尔南多大公在世的那些年里,高斯每年都可以领到薪俸。由于有了这笔钱,生活有了保障,高斯就全身心地投入到研究工作中去。

1801年,24岁的高斯出版了《算术研究》这一科学巨著,开创了近代数论,得到数学界的一致好评,奠定了他作为18世纪最伟大数学家的地位。

在这之前,高斯成果累累。11岁时,他发现二项式定理;17岁时提出最小二乘法;22岁时证明了代数方程根定理……人们一致赞誉他是当之无愧的“数学王子”。

1807年,高斯应哥廷根大学的邀请,担任了该校的数学教授和天文台台长。从此他在哥廷根大学从事研究直至生命的终结。在以后的岁月里,他对非欧几何、复变函数、概率论、椭圆函数论、数学统计等都有重大贡献。他以治学态度认真严谨著称。虽然,早在1800年他就发现了椭圆函数,1816年发现了非欧几何。但他一直在做这些重大发现的完善工作,一直没将这些发现公布于世。直到他死后,人们才从他日记的遗稿中发现了这一切。

高斯的著作非常丰富,但在他生前并未全部发表出来。

直到第二次世界大战前夕,才由哥廷根大学的学者们对其遗著进行整理研究,出版了长达11卷的《高斯全集》。

高斯还在天文学和物理学上有很高的成就。他创立了一种可以计算星球椭圆轨道的方法,可以极准确地预测出行星的位置。由他计算出了一颗即逝的谷神星轨道,曾轰动了天文学界。高斯对电磁学的贡献也是巨大的,他提出了磁场的“高斯定律”。

高斯逝世于1855年,终年78岁。和他同时代的科学家,几乎都从他那里得到过教益。一位科学家曾高度评价他说:“如果我们把19世纪的科学家想象成为一系列的高山峻岭,那么使人肃然起敬的峰颠就是高斯。”人们还常常把高斯比作一座桥,认为一个数学家不论来自哪里走向何方,他都必须经过高斯这座桥。

高斯逝世之后,哥廷根大学为他在校园内建了一座塑像,底座是一个正17边形的台基。原来,高斯临终时留有遗嘱,希望在他的墓碑上刻上正十七边的图形。因为他是在用直尺和圆规作出了正十七边图形后才献身数学事业的。

“假结婚”走出国门的女数学家

1850年,莫斯科一位数学教师家里诞生了一位女婴,她就是俄国伟大的女数学家苏菲·柯瓦列夫斯卡娅。

幸运的是,苏菲从一降生,就生活在数学的天地里。原来,她住的房子,墙壁上四处裱糊着她父亲的数学讲义。苏菲从小就看着,读着这些半懂不懂的讲义长大。那些奇奇怪怪的数学符号给她留下了深刻的印象。伴随年龄的增长,在家庭女教师的解答下,她渐渐弄懂了这些符号和数学公式。

14岁的时候,苏菲不经别人帮助,就能看懂父亲的朋友带给她的数学教科书中三角公式的意义,15岁时,父亲同意她利用冬季居住彼得堡期间,学习高等数学。

长成大姑娘的苏菲十分想往完全的高等教育,可是当时俄国的大学对女子是紧闭大门的。当时,只有西欧一些大学肯收女学生,苏菲于是立志要到外国去。可是,专横的父亲不同意,他不希望女儿从自己的身边飞走。

当时,一些俄国姑娘为了离开专制的家庭,常常采用与外国人“假结婚”的办法出国,苏菲也如法炮制,与莫斯科大学一位外国学生协商,帮她实行“假结婚计划”。1868年,苏菲不顾父母的反对“结婚”了,第二年春天,她冲出国门,为了她喜爱的数学,来到了德国的海德堡。

又几经周折,苏菲进了德国最古老、最有名望的海德堡大学。三年期间,她修完了数学、物理、化学和生理学等大学课程。在大学里,她最喜欢的课程是“椭圆积分论”。当她得知这一理论是著名数学家魏尔斯特拉斯建立的,就热切地想去柏林向这位著名的教授学习。

1870年,苏菲来到柏林,尽管她带来了海德堡大学教授的推荐信,但柏林大学仍拒收她,唯一的理由就是“柏林大学不收女学生”。无奈,苏菲只好直接去找年已55岁,声名显赫的魏尔斯特拉斯教授。这位数学大师与苏菲一谈,深被她的求知欲所感动,便亲自与学校当局疏通,但学校当局及同事们都认为,数学不是女人的事,拒绝了他的极力推荐。

善良的魏尔斯特拉斯为了不让苏菲失望,决定自己教她,但他要先试试苏菲的水平,刚好他手里有一些准备给高年级学生演算的试题,他就叫苏菲做一做。令他吃惊的是,苏菲不仅演算迅速、答案清晰,而且很有独创性。从此,苏菲便在这位名师的指导下从事数学学习和研究。

1874年,德国的数学中心哥廷根大学,根据魏尔斯特拉斯教授的推荐和苏菲三篇高水平论文,未经口试,便授予苏菲博士学位。她成为哥廷根大学第二个女博士。之后,魏尔斯特拉斯教授极力推荐她去大学教书,但顽固的守旧势力始终不肯接纳她,苏菲只好回俄国去了。