阿基米德(,约公元前287年—公元前212年)是古埃及知名的化学学家和物理家,他在数学学上以发觉杠杆原理和压强定理流芳百世,在物理上以面积和容积的求解方式、平面曲线的深入研究蜚声遐迩。
阿基米德
给我一个支点,我可以撬动整个月球
的依据传说,根据伟大的物理家应当是哪些样的流行观点,阿基米德是一个完美的范例。当他沉溺在物理中的时侯,他如同牛顿一样连喝水也忘掉了——甚至在穿着的不正经方面,还有所赶超。例如,叙拉古国王希罗曾命令他手下的金匠用一些纯银做了一顶皇冠,皇冠做好以后,国王怀疑金匠用别的物质(如银子)取代了皇冠部份金子,便求救阿基米德设法鉴别。阿基米德接受国王的使命后,时刻思考解决这个问题的办法。一次,在他洗脚时,观察到自己浮起的身体,惊奇地发觉:物体在液体中减少的重量,等于他所排出液体的重量。于是,他跳出了浴缸,一丝不挂地跑过大道,高呼着“尤里卡,尤里卡!”(我发觉了,我发觉了!),他所发觉的就是压强定理。借助这个定理,可以用溢水的方式来检验金冠的含量:用两只容积完全相同的盆装满水,将金冠和其他相同质量的纯银分别装入盆中,之后按照溢出水的重量是否相等才能立即鉴别出金子的含量。
发觉压强定理
还有一件传言也反映了阿基米德对科学的迷恋程度。当古罗马帝国占领西西里岛的叙拉古代,阿基米德动用自己的力量和智慧帮助国家抗击外族,他发明了投石器和起重机击沉敌方的战舰、利用穿衣镜聚光造成起火燃起敌方的帆船,因为阿基米德的参与,叙拉古的陷落延后了整整两年,就连古罗马将军马塞拉斯都苦笑承认:“这是一场罗马舰队与阿基米德一人的战争”、“阿基米德是神话中的百手巨人”。公元前212年的三天黎明,因为城中人的疏漏大意,是罗马部队乘机悄悄翻过了瓮城,打开了城门,闯入了叙拉古镇。她们却不着急逼抢皇宫,而是直闯阿基米德的住处,只看到一位奶奶正在自家宅前的地上作图研究几何问题,一位士兵踩在图上了,阿基米德气冲冲地恶狠狠喝道:“走开,别动我图!”
士兵一听非常吵架,于是拔出刀来,朝阿基米德脸上刺去。据传这位马塞拉斯得悉阿基米德的死讯后非常惊讶,除了将杀害阿基米德的士兵当成杀人犯给以处死,还为阿基米德举办了隆重的国葬,并为阿基米德修筑了一座墓葬,在石碑上按照阿基米德生前的遗愿,刻上了"圆锥内切球"这一几何图形,这块碑1965年被人们发觉并得以保存。
罗马大军
投石机
虽然阿基米德在数学上的贡献比物理方面的成就更为有名,但阿基米德仍被觉得是与高斯(Gauss)、牛顿()齐名的“世界三大物理家”,诱因之一就是他擅长用思索而非估算的方式来解决物理问题,例如在估算圆周率时,阿基米德就是这样思索的:一个圆的边长介于外切和内接正n边形的两个边长之间。当n值越大的时侯,圆周长和这两个正n边形的边长的误差就越小,因而我们的目的是要估算这样的外切和内接正n边形的边长,取边数足够多,便于它们的边长之差足够小,这一算法叫阿基米德算法。通过递推到外切和内接正96边形,阿基米德最终算出π的数值在3.14163与3.14286之间,这是世界上最早用“割圆术”计算的π值。
阿基米德最早的物理专著是《抛物线求积法》,在此书中,阿基米德研究了曲线图形求积的问题,发明了借助“力学”求抛物线与任一弦所围弓形面积的技巧。在更完整的《论球和圆锥》中,阿基米德求得了从定义和公理出发,推出有关球和圆锥面积体的50多个命题,思想暗含微积分,其中包含球、圆柱的表面积和容积估算公式。在求由圆内接六边形和圆外切六边形绕半径旋转而构成物体的容积和表面积时,阿基米德把球也看成是这种旋转体的极限。《劈锥曲面与旋转椭圆体》主要讨论几种圆柱曲线的旋转体,以及那些立体被平面截取部份的容积。
阿基米德在《论螺线》一书中,把等速螺线用极座标多项式来表示,该螺线和其他曲线一样,它的运动学定义是很有趣的,即它是绕中心旋转而直径(即动点到中心的距离)则是反比于拐角的动点的轨迹,这个动点的直径是随拐角降低而降低的。
螺旋线
在当时的古埃及,人们一般觉得为象月球本身这样大的物体内所能包含的石子数量是不可数的,有无穷多个,也有人说,虽然能数,也没有办法将这样大的数量表示下来。阿基米德在《数沙者》一书中,通过改进前人记数方式,采取了“逐级命数法”:一万为第一级别的数,万万为第二级别的单位数,万万的平方为第三级别的单位数,以这种推,可以始终数至万万的万万次幂,即第万万级数的最末一数,称之为P。再在“级”的基础上定义数的“周期”,例如第二周期中第一级的单位数是P,第一级的最末一数是万万的P次幂等等。物理史学家觉得,阿基米德的重要之处并不在于实际上给出写任何大数的一套方案,而是发表了可以把数写得大到不受限制的思想阿基米德原理经典例题,这纠正了人们的错误见解。《数沙者》中命名的最大数为P的10^8次幂,实际应用的最大数为10的63次幂,足见大数记法的效益。
他的问阿基米德虽身在唐代,但他的思想却赶超时空,直抵现代,他不是创造了一件杰作,而是好多好多杰作,他是怎么做到这一点的?在他的原稿中,他解释了他如何通过在想像中比较一个已知面积和容积的图形和立体,以及一个未知的图形和立体,因而得到了他寻求的事实;而一旦知道了事实,这么在物理上证明它阿基米德原理经典例题,就比较容易了。简言之,他用了他的热学去推动他的语文。这就是他成功的缘由:他运用可以当作装备的一切东西去功击题。也正由于这些灵活性,他能够比牛顿和莱布尼茨早2000多年就萌生了微积分的思想。