阿基米德(,約公元前287年—公元前212年)是古埃及知名的化學學家和物理家,他在數學學上以發覺杠桿原理和壓強定理流芳百世,在物理上以面積和容積的求解方式、平面曲線的深入研究蜚聲遐邇。
阿基米德
給我一個支點,我可以撬動整個月球
的依據傳說,根據偉大的物理家應當是哪些樣的流行觀點,阿基米德是一個完美的范例。當他沉溺在物理中的時侯,他如同牛頓一樣連喝水也忘掉了——甚至在穿著的不正經方面,還有所趕超。例如,敘拉古國王希羅曾命令他手下的金匠用一些純銀做了一頂皇冠,皇冠做好以后,國王懷疑金匠用別的物質(如銀子)取代了皇冠部份金子,便求救阿基米德設法鑒別。阿基米德接受國王的使命后,時刻思考解決這個問題的辦法。一次,在他洗腳時,觀察到自己浮起的身體,驚奇地發覺:物體在液體中減少的重量,等于他所排出液體的重量。于是,他跳出了浴缸,一絲不掛地跑過大道,高呼著“尤里卡,尤里卡!”(我發覺了,我發覺了!),他所發覺的就是壓強定理。借助這個定理,可以用溢水的方式來檢驗金冠的含量:用兩只容積完全相同的盆裝滿水,將金冠和其他相同質量的純銀分別裝入盆中,之后按照溢出水的重量是否相等才能立即鑒別出金子的含量。
發覺壓強定理
還有一件傳言也反映了阿基米德對科學的迷戀程度。當古羅馬帝國占領西西里島的敘拉古代,阿基米德動用自己的力量和智慧幫助國家抗擊外族,他發明了投石器和起重機擊沉敵方的戰艦、利用穿衣鏡聚光造成起火燃起敵方的帆船,因為阿基米德的參與,敘拉古的陷落延后了整整兩年,就連古羅馬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”。公元前212年的三天黎明,因為城中人的疏漏大意,是羅馬部隊乘機悄悄翻過了甕城,打開了城門,闖入了敘拉古鎮。她們卻不著急逼搶皇宮,而是直闖阿基米德的住處,只看到一位奶奶正在自家宅前的地上作圖研究幾何問題,一位士兵踩在圖上了,阿基米德氣沖沖地惡狠狠喝道:“走開,別動我圖!”
士兵一聽非常吵架,于是拔出刀來,朝阿基米德臉上刺去。據傳這位馬塞拉斯得悉阿基米德的死訊后非常驚訝,除了將殺害阿基米德的士兵當成殺人犯給以處死,還為阿基米德舉辦了隆重的國葬,并為阿基米德修筑了一座墓葬,在石碑上按照阿基米德生前的遺愿,刻上了"圓錐內切球"這一幾何圖形,這塊碑1965年被人們發覺并得以保存。
羅馬大軍
投石機
雖然阿基米德在數學上的貢獻比物理方面的成就更為有名,但阿基米德仍被覺得是與高斯(Gauss)、牛頓()齊名的“世界三大物理家”,誘因之一就是他擅長用思索而非估算的方式來解決物理問題,例如在估算圓周率時,阿基米德就是這樣思索的:一個圓的邊長介于外切和內接正n邊形的兩個邊長之間。當n值越大的時侯,圓周長和這兩個正n邊形的邊長的誤差就越小,因而我們的目的是要估算這樣的外切和內接正n邊形的邊長,取邊數足夠多,便于它們的邊長之差足夠小,這一算法叫阿基米德算法。通過遞推到外切和內接正96邊形,阿基米德最終算出π的數值在3.14163與3.14286之間,這是世界上最早用“割圓術”計算的π值。
阿基米德最早的物理專著是《拋物線求積法》,在此書中,阿基米德研究了曲線圖形求積的問題,發明了借助“力學”求拋物線與任一弦所圍弓形面積的技巧。在更完整的《論球和圓錐》中,阿基米德求得了從定義和公理出發,推出有關球和圓錐面積體的50多個命題,思想暗含微積分,其中包含球、圓柱的表面積和容積估算公式。在求由圓內接六邊形和圓外切六邊形繞半徑旋轉而構成物體的容積和表面積時,阿基米德把球也看成是這種旋轉體的極限。《劈錐曲面與旋轉橢圓體》主要討論幾種圓柱曲線的旋轉體,以及那些立體被平面截取部份的容積。
阿基米德在《論螺線》一書中,把等速螺線用極座標多項式來表示,該螺線和其他曲線一樣,它的運動學定義是很有趣的,即它是繞中心旋轉而直徑(即動點到中心的距離)則是反比于拐角的動點的軌跡,這個動點的直徑是隨拐角降低而降低的。
螺旋線
在當時的古埃及,人們一般覺得為象月球本身這樣大的物體內所能包含的石子數量是不可數的,有無窮多個,也有人說,雖然能數,也沒有辦法將這樣大的數量表示下來。阿基米德在《數沙者》一書中,通過改進前人記數方式,采取了“逐級命數法”:一萬為第一級別的數,萬萬為第二級別的單位數,萬萬的平方為第三級別的單位數,以這種推,可以始終數至萬萬的萬萬次冪,即第萬萬級數的最末一數,稱之為P。再在“級”的基礎上定義數的“周期”,例如第二周期中第一級的單位數是P,第一級的最末一數是萬萬的P次冪等等。物理史學家覺得,阿基米德的重要之處并不在于實際上給出寫任何大數的一套方案,而是發表了可以把數寫得大到不受限制的思想阿基米德原理經典例題,這糾正了人們的錯誤見解。《數沙者》中命名的最大數為P的10^8次冪,實際應用的最大數為10的63次冪,足見大數記法的效益。
他的問阿基米德雖身在唐代,但他的思想卻趕超時空,直抵現代,他不是創造了一件杰作,而是好多好多杰作,他是怎么做到這一點的?在他的原稿中,他解釋了他如何通過在想像中比較一個已知面積和容積的圖形和立體,以及一個未知的圖形和立體,因而得到了他尋求的事實;而一旦知道了事實,這么在物理上證明它阿基米德原理經典例題,就比較容易了。簡言之,他用了他的熱學去推動他的語文。這就是他成功的緣由:他運用可以當作裝備的一切東西去功擊題。也正由于這些靈活性,他能夠比牛頓和萊布尼茨早2000多年就萌生了微積分的思想。