第12章 少年天才——帕斯卡
- 發(fā)現(xiàn)的狂歡:發(fā)現(xiàn)故事
- 何利軒
- 3011字
- 2021-04-22 10:34:19
現(xiàn)在,幾何學(xué)上最簡單的定理:三角形內(nèi)角之和等于180度,是一位年僅12歲的少年推證出來的。這位少年便是帕斯卡。
布萊斯·帕斯卡(Blaise Pascal,1623~1662,法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、哲學(xué)家、文學(xué)家,與費爾馬同為近代概率論的奠基者,提出了帕斯卡定律,由此發(fā)明了注射器和水壓機)于1623年6月19日出生在法國克萊蒙·菲朗市。他的父親艾基納·帕斯卡是一位博學(xué)多才的數(shù)學(xué)家。良好的家庭環(huán)境為他成長為天才提供了不可多得的條件。他父親與當(dāng)時法國第一流的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家,如費爾馬、迪沙格等交往密切,使帕斯卡深受影響。
帕斯卡自幼勤奮好學(xué),童年時他就表現(xiàn)出超人的數(shù)學(xué)才能。可是,由于他體弱多病,父親只是對帕斯卡法文、希臘文、拉丁文方面的學(xué)習(xí)關(guān)心督促,不準(zhǔn)備讓他過早地鉆研數(shù)學(xué),不過,父親對數(shù)學(xué)、物理的愛好,極大地影響著帕斯卡,在他的心靈上點燃的火種怎么也撲不滅。
帕斯卡有良好的基礎(chǔ),為思維的發(fā)展提供了優(yōu)越的條件。他常常從父親的藏書中找出數(shù)學(xué)書籍偷偷地閱讀,而且他對自然現(xiàn)象和各種物品的形狀很感興趣,經(jīng)常向父親提出數(shù)學(xué)和其他自然科學(xué)方面的各種問題。
他的好奇心驅(qū)使他開始研究幾何學(xué)了。他在地板上畫出各種各樣的幾何圖形:直線、正方形、長方形、圓、三角形……開始探究它們的性質(zhì),竟獨自推出“三角形的內(nèi)角和等于兩個直角”的定理。父親得知后驚喜不已,立即把歐幾里得的《幾何原本》和一些古典數(shù)學(xué)專著拿出來給他學(xué)習(xí)。
1631年帕斯卡隨父移居巴黎。1635年,帕斯卡的父親參加了法國梅森主持的科學(xué)家組織(法國科學(xué)院前身),每當(dāng)?shù)矫飞⑺懻摂?shù)學(xué)與科學(xué)問題時,他都帶著帕斯卡,讓兒子旁聽梅森的數(shù)學(xué)講演。不久帕斯卡受到了數(shù)學(xué)家迪沙格的賞識,建議他把圓錐曲線的許多性質(zhì)簡化歸納為幾個基本定理。
果真,經(jīng)過3年多的不懈努力和刻苦鉆研,16歲的帕斯卡寫成了一本關(guān)于圓錐曲線的著作。1640年,在他17歲那年,帕斯卡發(fā)表了一篇約8頁的短文《略論圓錐曲線》。在這篇文章中,帕斯卡提出了被迪沙格稱之為“神秘六邊形”的“帕斯卡定理”,它是射影幾何學(xué)的基本定理之一。它的發(fā)現(xiàn),轟動了整個數(shù)學(xué)界。
1642年,帕斯卡制成了世界上第一臺能進(jìn)行六位數(shù)加減法運算的手搖機械計算機。后經(jīng)他不斷改進(jìn),總共造出了50多臺。帕斯卡計算機的研制成功,直接影響著萊布尼茨從事自動機的研究。
1646年10月,帕斯卡得知意大利物理學(xué)家托里拆利圓錐曲線實驗和發(fā)現(xiàn)大氣壓力時,他開始頑強地探索,以便進(jìn)一步證實托里拆利發(fā)現(xiàn)的可靠性。為此,他設(shè)計了兩個巧妙地連接在一起的玻璃管,依靠其中一個可以減少另一個管子里水銀表面上的空氣的方法,證明了空氣壓力的存在及壓力決定試管中水銀柱高度的變化。然而,在測定“測量地點的水平高度影響水銀柱高度”時,他卻遇到了很大困難。
一天晚上,帕斯卡已經(jīng)重復(fù)托里拆利的實驗10多次了。他用水銀將一端封閉的玻璃管灌滿,把它倒過來,將開口的一端浸在盛水銀的容器里。管子里的水銀下降,像平時一樣地停在某一個高度上。“又失敗了。托里拆利曾肯定,測量地點的水平高度會影響水銀柱的高度,為什么做不出來呢?”帕斯卡疑惑不解。于是,他又開始翻閱西蒙·史蒂文的著作。
帕斯卡站了起來,現(xiàn)在是第13次將水銀灌滿試管。他用桌子和椅子搭成臨時的階梯,沿階梯上去就可觸到屋頂。說實在的,這個實驗要求帕斯卡要有一定的準(zhǔn)確性,而且精確度必須相當(dāng)高。然而,他卻一只手拿著試管和盛水銀的容器,另一只手里拿著蠟燭,怎能看出那微不足道的變化呢?“確實一動沒動!”他十分懊喪地下來了,拆掉了那個用家具搭起來的金字塔。
清晨,當(dāng)他從朦朧中醒來,忽然想起了他的姐夫佩耶,于是決定求助姐夫幫助他完成這個實驗。他起床便給佩耶寫了一封長信。
佩耶是個講究原則、拘泥小節(jié)的古板人。盡管他對內(nèi)弟請求他做的事還不十分理解,他還是決定完成帕斯卡提出的詳細(xì)要求。
1648年9月19日,佩耶來到普伊·德·多姆山腳下,他將兩個相同的試管裝滿了水銀,把這一對試管封閉的底端朝上翻過來,標(biāo)出水銀柱的高度,之后,他把其中一個試管留在山下,而隨身帶著另一個向1400米高的山頂爬去。
佩耶在山頂進(jìn)行了試驗的第二步,與帕斯卡提出的設(shè)想一致,在山頂上,試管的水銀比在山腳下下降了幾厘米,佩耶仔細(xì)標(biāo)出了試管中水銀柱的高度,然后下山返回家中。次日早晨,佩耶給帕斯卡寄去了詳細(xì)的記錄資料。
帕斯卡對試驗結(jié)果非常滿意,但是他仍然決定重新去做一次這個試驗。科學(xué)家就是這樣,對科學(xué)的每一個試驗都是精益求精,從不馬虎從事。作為一個患有軟骨癥的人來說,爬到天主教堂的塔樓上去是多么不容易,可是帕斯卡以他那堅強的意志和勇于戰(zhàn)勝困難的精神,完成了這一壯舉。他在這兒發(fā)現(xiàn),試管中水銀的高度變化很不明顯,但是還是有差別。
“一切都清楚了。”帕斯卡從塔樓上慢慢地走了下來,自言自語地說道,“圍繞著地球,在空氣的海洋里,壓力從下向上逐漸減少,在液體里也是一樣。”
1648年10月,他發(fā)表了論文《論液體平衡》。提出了密閉流體傳遞壓力的定律:加在密閉流體任何一部分的壓力,必定按其原來的大小由流體向各個方向傳遞。這是流體靜力學(xué)的一個基本定律。后來人們?yōu)榱思o(jì)念這位偉大的科學(xué)家,使命名為“帕斯卡定律”。他還計算出液體靜壓力的量值,描述了液體靜壓力的奇異現(xiàn)象、連通器守則和水壓機工作原理。
帕斯卡第一個產(chǎn)生了借助氣壓表可以測量兩個地方的不同高度的想法,他還注意到水銀柱的高度還受空氣的濕度和溫度的影響,因此水銀柱還可以起到預(yù)測天氣的作用。
帕斯卡身體狀況很壞,然而病魔阻擋不住他那追求真理、熱愛科學(xué)的激情。他無暇顧及身體,埋頭于科學(xué)研究。1648年,帕斯卡再次開始研究數(shù)學(xué)。他在《算術(shù)三角形專論》這部著作中,提出了概率論和組合論的幾個基本思想,在算術(shù)中形成了著名的帕斯卡三角形,和P.de費馬共同奠定了概率論的基礎(chǔ)。他確定了可除性定則,成為研究微積分學(xué)方面與牛頓、萊布尼茨齊名的先驅(qū)者。
1651~1654年,帕斯卡進(jìn)行了關(guān)于液體的平衡以及空氣的重量的研究。經(jīng)過數(shù)年的觀察、實驗和思考,綜合成關(guān)于液體的平衡的物理學(xué)論文。他提出了著名的帕斯卡原理,即:加在密閉液體任何一部分上的壓強,必然按照其原來的大小由液體向各個方向傳遞。同時,他還提出了連通器原理和后來得到廣泛應(yīng)用的水壓機的最初設(shè)想。他又指出器壁上所受的由于液體重量而產(chǎn)生的壓強,僅僅與深度有關(guān);他用實驗,并從理論上解釋了與此有關(guān)的液體靜力學(xué)佯謬現(xiàn)象。
1654年,他提出二項式展開的系數(shù)的三角形排列法,即帕斯卡三角形。
1654年11月23日,帕斯卡接受第二次洗禮。1655年,退隱于波爾—魯耶爾修道院。1656~1657年,作《與鄉(xiāng)人之書》十多篇,批判耶穌會派。
帕斯卡在他去世的前5年,撰寫了《幾何學(xué)精神》等論文,研究了擺線。那是1658年的一個夜晚,帕斯卡為牙齒的劇痛糾纏得不能人眠,于是一氣之下起床研究擺線問題,竟使他忘了牙痛。于是他就一連串鉆研了8個晝夜,取得了重要成果。他把自己對擺線研究的成果歸納成6個問題,以筆名阿摩·德東維爾的名義公開懸賞征解,限期三個月,獎金600法郎。結(jié)果,包括英國牛津大學(xué)幾何教授畢里斯、荷蘭的惠更斯等很多科學(xué)家在內(nèi),紛紛提交了論文應(yīng)答,但無一人解答圓滿,最后按規(guī)定,帕斯卡公布了答案。帕斯卡對擺線問題的研究,間接地促進(jìn)了微積分學(xué)的形成和發(fā)展。
1662年8月19日,帕斯卡病逝在巴黎,葬于巴黎的圣愛基納教堂。帕斯卡雖然39歲就去世了,但他在數(shù)學(xué)和物理學(xué)方面為人類留下的遺產(chǎn)卻是巨大而長久的。他在有限的生命中,為科學(xué)的奉獻(xiàn)是無限的。為了紀(jì)念帕斯卡研究大氣壓強所作出的貢獻(xiàn),人們將壓強的單位命名為帕斯卡。