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数学家的风采——阿基米德(图)

 2010-11-29 16:44 桌面版 正體 打赏 0

 

阿基米德(Archimedes,约前287~前212),古希腊著名的数学家、物理学家,静力学和流体静力学的奠基人。也是具有传奇色彩的人物。

生平与贡献

公元前287年,阿基米德诞生于西西里岛的贵族家庭,从小受到优良的教育。他十一岁时,被送到古希腊文化中心亚历山大里亚城,跟随欧几里得的学生埃拉托塞和卡农学习。他在力学,几何学,天文学等诸多科学领域都做出了杰出贡献,为他赢得同时代人的高度尊敬,并用他的智慧掀起了人类现代文明的序幕。

力学方面,阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理。提出了精确地确定物体重心的方法,指出在物体的重心处支起来,就能使物体保持平衡;同时,他在研究机械的过程中,发现并系统证明了阿基米德原理(即杠杆定律),为静力学奠定了基础。此外,阿基米德利用这一原理设计制造了许多机械;他在研究浮体的过程中发现了浮力定律,也就是有名的阿基米德定律。

几何学方面,阿基米德确定了抛物线弓形、螺线、圆形的面积以及椭球体、抛物面体等各种复杂几何体的表面积和体积的计算方法。在推演这些公式的过程中,他创立了“穷竭法”,类似于现代微积分中所说的逐步近似求极限的方法;他是科学的研究圆周率的第一人。他提出用圆内接多边形与外切多边形边数增多、面积逐渐接近的方法求圆周率。他求出了圆周率大小范围为:223/71<π<22/7;面对古希腊繁冗的数字表示方式,阿基米德还首创了记大数的方法,突破了当时用希腊字母计数不能超过一万的局限,并用它解决了许多数学难题;提出了著名的阿基米德公理,用现代数学语言表述,阿基米德公理指对于任何自然数a、b,如果a<b,则必有自然数n,使n×a>b.
天文学方面,他发明了用水利推动的星球仪,并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及表演日食和月食现象。他认为地球是圆球状的,并围绕着太阳旋转,这一观点比哥白尼的“日心地动说”要早一千八百年。

阿基米德既重视科学的严密性、准确性,要求对每一个问题都进行精确的、合乎逻辑的证明,又非常重视科学知识的实际应用。他非常重视试验,亲自动手制作各种仪器和机械。他一生设计、制造了许多机构和机器,除了杠杆系统外,值得一提的还有举重滑轮、灌地机、扬水机以及军事上用的抛石机等。被称作“阿基米德螺旋”的扬水机至今仍在埃及等地使用。

浮力原理的发现

相传叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠,做好后,国王疑心工匠在金冠中掺了假,但这顶金冠确与当初交给金匠的纯金一样重,到底工匠有没有捣鬼呢?既想检验真假,又不能破坏王冠,这个问题不仅难倒了国王,也使诸大臣们面面相觑。后来,国王请阿基米德来检验。最初,阿基米德也是冥思苦想而不得要领。一天,他去澡堂洗澡,当他坐进澡盆里时,看到水往外溢,同时感到身体被轻轻拖起。他突然悟到可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定金冠的比重。他兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得跑了出去,大声喊着“尤里卡!尤里卡!”。(Fureka,意思是“我知道了”)。

他经过了进一步的实验以后来到王宫,他把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里,比较两盆溢出来的水,发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大,所以证明了王冠里掺进了其他金属。

这次试验的意义远远大过查出金匠欺骗国王,阿基米德从中发现了浮力定律:物体在液体中所获得的浮力,等于他所排出液体的重量。一直到现代,人们还在利用这个原理计算物体比重和测定船舶载重量等。

关于杠杆原理的故事——“给我一个支点,我能撬动地球”

在埃及公元前一千五百年前左右,就有人用杠杆来抬起重物,不过人们不知道它的道理。阿基米德潜心研究了这个现象并发现了杠杆原理。在阿基米德发现杠杆原理之前,是没有人能够解释的。当时,有的哲学家在谈到这个问题的时候,一口咬定说,这是“魔性”。阿基米德却不承认是什么“魔性”。

阿基米德确立了杠杆定律后,就推断说,只要能够取得适当的杠杆长度,任何重量都可以用很小的力量举起来。据说他曾经说过这样的豪言壮语:

“给我一个支点、我就能举起地球”。叙拉古国王听说后,对阿基米德说:“凭着宙斯起誓,你说的事真是奇怪,阿基米德!”阿基米德向国王解释了杠杆的特性以后,国王说:“到哪里去找一个支点,把地球撬起来呢?”“ 这样的支点是没有的。”阿基米德回答说。“那么,要叫人相信力学的神力就不可能了?”国王说。“不,不,你误会了,陛下,我能够给你举出别的例子。”阿基米德说。

国王说:“ 你太吹牛了!你且替我推动一样重的东西,看你讲的话怎样。”当时国王正有一个困难的问题,就是他替埃及国王造了一艘很大的船。船造好后,动员了叙拉古全城的人,也没法把它推下水。阿基米德说:“好吧,我替你来推这一只船吧。”

阿基米德离开国王后,就利用杠杆和滑轮的原理,设计、制造了一套巧妙的机械。把一切都准备好后,阿基米德请国王来观看大船下水。他把一根粗绳的末端交给国王,让国王轻轻拉一下。顿时,那艘大船慢慢移动起来,顺利地滑下了水里,国王和大臣们看到这样的奇迹,好像看耍魔术一样,惊奇不已!于是,国王信服了阿基米德,并向全国发出布告:”从此以后,无论阿基米德讲什么,都要相信他……”

阿基米德之死

在阿基米德晚年时,罗马军队入侵叙拉古,阿基米德指导同胞们制造了很多攻击和防御的作战武器。当侵略军首领马塞勒塞率众攻城时,他设计的投石机把敌人打得哭爹喊娘。他制造的铁爪式起重机,能将敌船提起并倒转……。

另一个难以置信的传说是,他曾率领叙拉古人民手持凹面镜,将阳光聚焦在罗马军队的木制战舰上,使它们焚烧起来。罗马士兵在这频频的打击下已经心惊胆战,草木皆兵,一见到有绳索或木头从城里扔出,他们就惊呼“阿基米德来了”,随之抱头鼠窜。

罗马军队被阻城外达三年之久。最终,于公元前212年,罗马人趁叙拉古城防务稍有松懈,大举攻入城市。此时,75岁的阿基米德正在潜心研究一道深奥的数学题,一个罗马士兵闯入,用脚践踏了他所画的图形,阿基米德愤怒地呵斥道:“别碰我的圆!”。残暴无知的士兵举刀一挥,一位璀璨的科学巨星就此陨落了。正如怀特海所说:“没有一个罗马人由于全神贯注于一个数学图形的冥想而丧生。”

阿基米德的墓碑上刻着球内切于圆柱的图形,因阿基米德发现球的体积及表面积,都是外切圆柱体体积及表面积的2/3.他生前曾流露过要刻此图形在墓上的愿望.

历史的评价

阿基米德是数学家与力学家的伟大学者,并且享有“流体静力学之父”的美称。他通过大量实验发现了杠杆原理,又用几何演泽方法推出许多杠杆命题,并给出严格的证明,其中就有著名的”阿基米德原理”(杠杆原理)。

他在数学上也有着极为光辉灿烂的成就,特别是在几何学方面他的数学思想中蕴涵着微积分的思想,他所缺的是没有极限概念,但其思想实质却伸展到17世纪趋于成熟的无穷小分析领域里去,预告了微积分的诞生。

正因为他的杰出贡献,美国的E.T.贝尔在《数学人物》上是这样评价阿基米德的:任何一张开列有史以来三个最伟大的数学家的名单之中,必定会包括阿基米德,而另外两人通常是艾萨克•牛顿和卡尔•弗里德里希•高斯。不过以他们的宏伟业绩和所处的时代背景来比较,或拿他们影响当代和后世的深邃久远来比较,还应首推阿基米德。

除了艾萨克•牛顿和阿尔伯特•爱因斯坦,再没有一个人像阿基米德那样为人类的进步做出过这样大的贡献。即使牛顿和爱因斯坦也都曾从他身上汲取过智慧和灵感。他是“理论天才与实验天才合于一人的理想化身”,文艺复兴时期的达•芬奇和伽利略•伽利雷等人都拿他来做自己的楷模。

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