阿基米德是古埃及偉大的哲學家、百科式科學家、數學家、物理學家、力學家,靜態熱學和流體靜力學的奠基人,而且享有“力學之父”的美稱,阿基米德和高斯、牛頓并列為世界三大物理家。阿基米德曾說過:“給我一個支點,我還能撬起整個月球。”
阿基米德確立了靜力學和流體靜力學的基本原理。給出許多求幾何圖形重心,包括由一拋物線和其網平行弦線所圍成圖形的重心的技巧。阿基米德證明物體在液體中所受壓強等于它所排開液體的重量,這一結果后被稱為阿基米德原理。他還給出正拋物旋轉體浮在液體中平衡穩定的判據。
▲點擊查看博科園超清修補圖
阿基米德發明的機械有引水用的水螺旋,能挑動滿載大船的杠桿滑輪機械,能說明月食,日食現象的月球-地球–太陽運行模型。但他覺得機械發明比純物理低級,因此沒寫這方面的專著。阿基米德還采用不斷分割法求橢球體、旋轉拋物體等的容積,這些方式已具有積分估算的雛型。
一、阿基米德簡介人物出生
公元前287年,阿基米德誕生于西西里島敘拉古附近的一個小村子,他出生于貴族,與敘拉古的赫農王(King)有同事關系,家庭非常頗具。阿基米德的女兒是天文學家兼物理家,學識淵博,為人謙和。阿基米德的意思是大思想家,阿基米德受家庭的影響,從小就對數學、天文學非常是古埃及的幾何學形成了濃郁的興趣。
阿基米德出生時,在當時古埃及的輝煌文化早已漸漸衰退,經濟、文化中心逐步轉移到希臘的亞歷山大城;并且另一方面,西班牙半島上新興的羅馬共和國物理大師阿基米德原理,也正不斷的擴張勢力;西非也有新的國家馬其頓盛行。阿基米德就是生長在這些新舊勢力交替的時代,而敘拉古鎮也就成為許多勢力的斗獸場所。
求學經歷
公元前267年,阿基米德被母親送到希臘的亞歷山大城跟著歐幾里得的中學生埃拉托塞和卡農學習。亞歷山大城坐落尼羅河口,是當時世界的知識、文化貿易中心,學者云集,人才薈萃,被世人譽為“智慧之都”。舉凡文學、數學、天文學、醫學的研究都很發達。
阿基米德在亞歷山大追隨過許多知名的物理家學習,包括有名的幾何學大師—歐幾里德,阿基米德在這兒學習和生活了許多年,他兼收并蓄了東方和古埃及的優秀文化遺產,對其后的科學生涯中做出了重大的影響,奠定了阿基米德日后從事科學研究的基礎。
保衛祖國
公元前218年羅馬共和國與西非馬其頓帝國爆發了第二次布匿戰爭。身處西西里島的敘拉古始終都是歸順羅馬,然而公元前216年君士坦丁擊潰羅馬部隊,敘拉古的新國王(海維隆二世的兒子繼任),立刻見風轉舵與馬其頓聯姻,羅馬帝國于是派馬塞拉斯將軍領軍從海路和陸路同時逼搶敘拉古。
敘拉古和羅馬共和國之間發生戰爭,是在阿基米德年老的時侯,羅馬部隊的最高統帥馬塞拉斯帶領羅馬部隊包圍了他所居住的城市,還攻占了海港。阿基米德雖不贊同戰爭,但又不得不盡自己的責任,保衛自己的祖國。阿基米德眼見國土危難,護國的責任感使得他奮起平亂,于是阿基米德絞盡腦汁,日以繼夜的發明御敵裝備。
●投石器和起重機
阿基米德借助杠桿原理制造了一種叫作石弩的壩體機,能把大鐵塊投向羅馬部隊的戰艦,或則使用發射機把矛和鐵塊射向羅馬士兵,但凡緊靠甕城的敵軍,都逃過他的飛石或鏈球······阿基米德還發明了多種裝備,來抵擋羅馬部隊的前進。依據一些年代較晚的記載,當時他造了巨大的起重機,可以將敵方的戰艦吊到半空中,之后重重地摔下使戰艦在海面上粉碎。
●鏡子聚光
有三天敘拉古鎮受到了羅馬部隊的伏擊,而敘拉古鎮的青壯年和士兵們都上前線去了,城里只剩下了奶奶、婦女和小孩,處于萬分危難的時刻。就在這時,阿基米德為了自己的祖國站了下來。
阿基米德讓婦女和小孩們每人都掏出自己屋內的穿衣鏡一同來到海對岸,讓穿衣鏡把強烈的陽光反射到敵艦的主帆上,千百面穿衣鏡的反光集聚在船帆的一點上,船帆燃燒上去了,火勢趁著風力,越燒越旺,羅馬人不知原委,以為阿基米德又發明了新裝備。就慌驚慌張地逃走了。
這種裝備弄的羅馬部隊驚惶失措、人人懼怕,連將軍馬塞拉斯都苦笑承認:“這是一場羅馬艦隊與阿基米德一人的戰爭”、“阿基米德是神話中的百手巨人”。
偉人之死
公元前212年,古羅馬部隊入侵敘拉古,阿基米德被羅馬士兵殺害,終年七十五歲。阿基米德的尸體葬在西西里島,石碑上刻著一個圓錐內切球的圖形,以記念他在幾何學上的卓越貢獻。
版本一:羅馬士兵闖進阿基米德的住宅,看到一位奶奶在地上埋首作幾何圖形,阿基米德對士兵說大家等一等再殺我,我不能給世人留下不完整的公式!還沒等他說完,士兵就殺了他。他是帶著遺憾死去的。
版本二:
一個羅馬士兵忽然出現在他面前,命令他到馬塞拉斯哪里去,受到阿基米德的嚴詞拒絕,于是阿基米德不幸死在了這個士兵的刀劍之下。
版本三:
阿基米德坐在殘缺的石墻后面,正在沙地上畫著一個幾何圖形。一個羅馬士兵命令阿基米德離開,他傲慢地做了個手勢說:“別把我的圓損壞了!”羅馬士兵勃然震怒,馬上用刀一刺,就殺害了那位唐代科學家阿基米德。
版本四:
羅馬士兵闖進了阿基米德的住宅,看到一位奶奶正在自家宅前的地上作圖研究幾何問題,阿基米德說:“走開,別動我的圖!”戰士一聽非常吵架,于是拔出刀來,朝阿基米德臉上刺下去。
無論阿基米德是如何死的,最為驚訝的就是這位羅馬部隊的統帥馬塞拉斯,馬塞拉斯將殺害阿基米德的士兵當成殺人犯給以處死,他為阿基米德舉辦了隆重的國葬,并為阿基米德修筑了一座陵寢,在石碑上按照阿基米德生前的遺愿,刻上了”圓柱內切球”這一幾何圖形。
二、主要成就壓強原理
壓強原理闡述:物體在液體中所獲得的壓強,等于它所排出液體的重量,即:F=G(式中F為物體所受壓強,G為物體排開液體所受重力)。
該式變型可得:F=G=ρgV
(式中ρ為被排開液體密度,g為當地重力加速度,V為排開液體容積)
相傳敘拉古赫農王讓匠人替他做了一頂純銀的王冠。并且在做好后,國王猜疑匠人做的金冠并非純銀,匠人挪用了黃金,但又不能破壞王冠,而這頂金冠確又與先前交給金匠的純銀一樣重。這個問題難倒了國王和各位臣子。經一重臣建議,國王請來阿基米德來檢驗皇冠。
最初阿基米德對這個問題無計可施。有三天,他在家洗腳,當他坐進浴盆里時,看見水往外溢,忽然想到可以用測定固體在水底排水量的辦法,來確定金冠的容積。他激動地跳出水盆,連衣裙服都顧不得穿上就跑了出去,小聲喊著“尤里卡!尤里卡!”(ερηκα,意思是“找到了”。)
他經過了進一步的實驗之后,便來到了皇宮,他把王冠和同等重量的純銀置于盛滿水的兩個盆里,比較兩盆溢出來的水,發覺放王冠的盆里溢出來的水比另一盆多。這就說明王冠的容積比相同重量的純銀的容積大,密度不相同,所以證明了王冠里摻進了其他金屬。
此次試驗的意義遠遠大過查出金匠誤導國王,阿基米德從中發覺了壓強定理(阿基米德原理):物體在液體中所獲得的壓強,等于它所排出液體的重量。(即廣為人知的排水法)
杠桿原理
杠桿原理:滿足下述三個點的系統,基本上就是杠桿:支點、施力點、受力點。杠桿原理稱作“杠桿平衡條件”:要使杠桿平衡,作用在杠桿上的兩個轉矩(力與力臂的乘積)大小必須相等。即:動力×動力臂=阻力×阻力臂,用公式可抒發為:F1xL1=F2xL2
(F1表示動力,l1表示動力臂,F2表示阻力,l2表示阻力臂)
海維隆王又遇見了一個棘手的問題:國王替摩洛哥托勒密王造了一船只,由于太大太重,船難以放進海里,國王就對阿基米德說:“你連月球都舉得上去,把一船只放進海里應當沒問題吧?阿基米德叫匠人在船的前后左右安裝了一套設計精美的滑車和杠桿。阿基米德叫100多人在大船上面,捉住一根繩子,他讓國王挑動一根繩,大船竟然漸漸地滑到海中。國王異常高興,當街宣布:“從現今起,我要求你們,無論阿基米德說哪些,都要相信他!”
機械應用
阿基米德對于機械的研究源自于他在亞歷山大城求學時期,有三天阿基米德在天旱的尼羅河里遛彎,見到農戶提水澆地相當吃力,經過思索以后他發明了一種借助螺旋作用在水管里旋轉而把水吸上來的工具,后世的人叫它做“阿基米德螺旋提水器”。希臘仍然到二千年后的現代,還有人使用這些器械。這個工具成了后來螺旋推動器的祖先。
阿基米德特別注重試驗,一生設計、制造了許多儀器和機械,值得一提的有體操滑輪、灌地機、揚水機以及軍事上用的壩體機等。
當時的法國,在工程和日常生活中,常常使用一些簡單機械,例如:螺母、滑車、杠桿、齒輪等,阿基米德花了許多時間去研究,發覺了“杠桿原理”和“力矩”的觀念,對于時常使用工具制做機械的阿基米德而言,將理論運用到實際的生活上是輕而易舉的。阿基米德極可能是當時全世界對于機械的原理與運用了解最透徹的人。
阿基米德和雅典時期的科學家有著顯著的不同,就是他既注重科學的嚴密性、準確性物理大師阿基米德原理,要求對每一個問題都進行精確的、合乎邏輯的證明;又特別注重科學知識的實際應用。
物理大師
阿基米德在物理上也有著極為光輝燦爛的成就,非常是在幾何學方面。
阿基米德的物理思想中蘊含微積分,阿基米德的《方法論》中早已“十分接近現代微積分”,這兒有對數學上“無窮”的超前研究,貫串整篇的則是怎樣將物理模型進行化學上的應用。
他所缺的是沒有極限概念,但其思想實質卻伸展到17世紀漸趨成熟的無窮小剖析領域里去,預告了微積分的誕生。
阿基米德將歐幾里德提出的趨近觀念作了有效的運用。他借助“逼近法”算出球面積、球體積、拋物線、橢圓面積,后世的物理家根據這樣的“逼近法”加以發展成近代的“微積分”。阿基米德還借助割圓法求得π的值介于3.14163和3.14286之間。
另外他算出球的表面積是其內接最大圓面積的四倍,又導入圓錐內切圓球的容積是圓錐容積的三分之二,這個定律就刻在他的石碑上。
阿基米德研究出螺旋形曲線的性質,現在的“阿基米德螺線”曲線,就是由于記念他而命名。另外他在《數沙者》一書中,他創造了一套記大數的方式,簡化了記數的形式。
阿基米德的幾何專著是法國物理的頂峰。他把歐幾里得嚴格的推理方式與柏拉圖艷麗的豐富想像和諧地結合在一起,達到了至善至美的境界,因而“使得往前由開普勒、卡瓦列利、費馬、牛頓、萊布尼茨等人繼續培植上去的微積分日趨完美”。
天文研究
阿基米德發展了天文學檢測用的十字測角器,并制成了一架測算太陽對向月球角度的儀器。
阿基米德還以前運用水力制做一座星象儀,球面上有日、月、星辰、五大行星。按照記載,這個星象儀不但運行精確,連何時會發生月蝕、日蝕都能加以預測。
阿基米德還覺得月球可能是圓的。晚年阿基米德開始懷疑月球中心學說,并猜測月球有可能繞太陽轉動,這個推測仍然到哥白尼時代才被人們提出來討論。
三、阿基米德論著
阿基米德留傳于世的專著有10余種,多為西班牙文原稿。他的專著集中闡述了求積問題,主要是曲邊圖形的面積和曲面六面體的容積,其題旨受到歐幾里德《幾何起初》的影響,先是假定,再再以嚴謹的邏輯結論得到證明。他不斷地尋求通常性原則而用于特殊的工程上。他的作品一直融合數學和化學。
物理
內容
《論球和圓錐》
阿基米德從定義和公理出發,推出圓和圓錐面積容積50多個命題,思想暗含微積分。
《圓的測度》
求得圓周率π為22分之7>π>223分之71。
還證明了圓面積等于圓周長為底,直徑為高的等邊三角形的面積。
《拋物線求積法》
研究了曲線圖形求積的問題。
《論螺線》
明晰螺線的定義,以及對螺線的估算方式。
導入幾何級數和算數級數求和的幾何方法。
《論錐型體與球型體》
確定由拋物線和雙曲線其軸旋轉而成的錐形體容積,以及橢圓繞其長軸和軸旋轉而成的球形體容積。
《數沙者》
專講估算方式和估算理論的一本專著。構建了新的量級計數法,確定新的單位,提出表示任何大量計數的方式。
化學
內容
《平面圖形的平衡或其重心》
是關于熱學的最早的科學專著,提出了杠桿的思想。
《論浮體》
是流體靜力學的第一部著作。
《論杠桿》
關于杠桿平衡的專著。
除此以外,阿基米德還有一篇特別重要的專著,是一封給埃拉托斯特尼的信,丟失后重新被發覺,后來以《阿基米德方式》為名刊行于世,它主要講研究熱學原理去發覺問題的方式。
唐代古本
收錄專著
刻本A、抄本B,不幸的是這兩份刻本都已丟失
《平面圖形的平衡或其重心》、《拋物線求積》、《論球和圓錐》《圓的測度》、《論螺線》、《論浮體》、《圓錐體和橢球體》、《數沙者》
1998年第三份刻本古本C丟失后重新被發覺
《平面圖形的平衡或其重心》、《論球和圓錐》、《測圓術》、《論螺線》、《論浮體》、《方法論》、《十四巧板》。其中前5篇早已從古本AB承傳了出來,而最為珍稀的是最后兩篇,這是先前沒有出現過的。
四、人物評價
阿基米德對數學和化學的發展作出了巨大的貢獻,為社會進步和人類發展作出了不可磨滅的影響,雖然牛頓和愛因斯坦也都曾從他臉上吸取過智慧和靈感,他是“理論天才與實驗天才合于一人的理想變身”,文藝復興時期的達芬奇和伽利略等人都拿他來做自己的楷模。
五、后世憑吊
事過境遷,敘拉古人竟不知珍視這非凡的記念物,隨著時間的流逝,阿基米德的墓葬被濃蔭湮滅了。
后來西西里島的知名政治家西塞羅周游敘拉古代有心去拜謁那位偉人的墓,眾人利用鐮刀辟開小徑,發覺一座高出雜樹不多的小圓錐,里面刻著的球和圓錐紋樣赫然在目,這久已被遺忘的愁思荒冢總算被找到了,碑刻銘仍隱約可見,大概有一半已被風雨腐蝕,依此辯認出這就是阿基米德的墓地,并將它重新修補了。
又兩千年過去了,隨著歲月的流逝,這座墓也消失得無影無蹤。有一個人工鑿砌的石窟,寬約十余米,內壁長滿青苔,被說成是阿基米德之墓,但卻無任何能證明其真實性的標志,但是不時有“發現真正公墓”的消息,令人難辨真假。