第 3 节
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开了 更新:2021-02-21 17:02 字数:5337
到1814年7月9日。高斯的科学日记是1898年哥廷根皇家学会为了研究高
斯,向高斯的孙子借来的。从此,这本科学日记的内容才在高斯逝世43年后
流传。这本日记共146项研究成果,由于仅供个人使用,所以每一条记录往
往只写三言两语,十分简短。有的条目简单得甚至专家也摸不着头脑。
1796年10月11日, Vicimus GEGAN
1799年4月8日,
这两项研究成果,至今仍是个谜。
在1796年7月10日中有这样一条日记:
EYPHKA!num=△+△+△
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EYPHKA是希腊文找到了的意思。当年,阿基米德在洗澡的时候突然发现
了浮力定律,兴奋地从浴缸一跃而起,在大街上狂奔高喊的就是“EYPHKA!”
高斯在这里找到了费马提出的一个困难定理的证明:每个正整数是三个三角
数之和。
高斯的科学日记一经披露,轰动了整个科学界。人们第一次了解到,有
许多重大成果高斯实际上早就发现,而公开发表得很晚,有的甚至生前根本
没有发表。有关椭圆函数双周期性的内容一直到日记发表的时候人们才知
道,以致这个重大成果在日记里整整沉睡了100年。1797年3月19日的一
条日记清楚表明,高斯已经发现了这个成果;后来又有一条,说明高斯还进
一步认识到一般情况下的双周期性。这个问题后来经过雅可比(1804—1851)
和阿贝尔独立研究发展,才成为 19世纪函数论的核心。类似的例子不胜枚
举。
这样大量的重大发现在日记里竟被埋没了几十年甚至一个世纪!面对这
一不可思议的事实,数学家无不大为震惊。如果及时发表这些内容,无疑会
给高斯带来空前的荣誉,因为日记中的任何一项成果都是当时世界第一流
的。如果及时发表这些内容,就可以免得后来的数学家在许多重要领域中的
苦苦摸索,数学史因而将大大改写。有的数学家估计,数学的发展可能要比
现在先进半个世纪之多。
为什么会出现这现象呢?这与当时的社会环境和高斯个人性格有十分重
要的关系。
18世纪,数学界贯穿着激烈的争论,数学家们各持己见,互相指责,由
于缺乏严格的论证,在争论中又产生了种种错误。为了证明自己的论点,他
们往往自吹自擂,互相讽刺挖苦,这类争论给高斯留下了深刻的印象。高斯
虽然出身贫微,却和他的父母一样,有着极强的自尊心,加之他对科学研究
的极端慎重的态度,使他生前没有公开这本日记。他认为,这些研究成果还
须进一步加以论证。他在科学研究上遵循的格言是“宁少毋滥”。
高斯这种严谨的治学态度,虽然使后辈科学家付出了巨大的代价,但是,
也给科学研究带来了好处。高斯出版的著作至今仍然像第一次出版一样正确
而重要,他的出版物就是法典,比人类其他法典都更高明,因为不论何时何
地从未发现其中有任何毛病。
高斯治学的态度正如他在自己的肖像下工工整整地写下的《李尔王》中
的一段格言一样:
“大自然,您是我的女神,我一生的效劳都服从于您的规律。”
高斯在数学领域中的成就是巨大的。后来人们问起他成功的秘诀,他以
其特有的谦逊方法回答道:
“如果别人思考数学的真理像我一样深入持久,他也会找到我的发现。”
为了证明自己的结论,有一次他指着《算术研究》第633页上一个问题
动情地说:
“别人都说我是天才,别信它!你看这个问题只占短短几行,却使我整
整花了4年时间。4年来我几乎没有一个星期不在考虑它的符号问题。”
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四、涉足天文学
《算术研究》出版后,20年间没有引起人们的关注。它既没有给高斯带
来荣誉,也没有给他带来利益。为了出版这部书,他甚至还欠了债。这是他
转向应用研究的一个原因。
1801年10月的一天,齐美尔曼因将赴魏玛工作,临行前来看望高斯。
他顺便带来了一期查赫出版的《每月通讯》。齐美尔曼也许是无意,但是正
是他带来的那本期刊上刊登的一篇《对皮亚齐教授1801年1月1日在巴勒莫
发现天体的观察》一文,使高斯改变了研究方向,开始涉足天文学领域。
事情可追溯到1776年。那一年,德国数学家堤蒂斯提出了一个求太阳与
诸行星之间距离的经验法则。他在数列0、3、6、12、24、48、96(从第三
项起,每一项是前一项的两倍)的每一项上都加4,得到4、7、10、16、28、
52、100。堤蒂斯说这些数字几乎就等于与太阳到水星、金星、地球、火星、
木星和土星的距离之比,这就是所谓的堤蒂斯—彼得定律。但28例外,在该
处没有行星,这就留下了一个谜。1781年,英国天文学家赫舍尔发现了天王
星,并证实了它正处于 196(2×96+4)位置时,堤蒂斯—彼得定律就更令
人折服了,人们坚信在28这个位置上应该还有一颗行星。1801年元旦的晚
上,意大利天文学家皮亚齐终于在巴勒莫发现了这颗处于28位置的新星,命
名为“谷神星”。他继续观察这颗新星,跟踪观察几天后,他发现这是一颗
小行星。不幸的是,皮亚齐在2月21日突然病倒,观察被迫停止、他在病床
上挣扎着把观察结果告诉欧洲同行。可是,当时正值拿破仑远征埃及,地中
海已经被英国舰队严密封锁。等到欧洲天文学家们得知这个姗姗来迟的消息
时,小行星已经靠近太阳,消失在太阳耀眼的光芒之中。
这件事给当时的天文学界提出了一个难题。如何根据少量的观察结果推
算出该行星运动的轨道?当时很多著名的天文学家如蔡赫、奥尔贝斯等人千
方百计地来寻找失踪的“谷神星”,但都未成功。
高斯看了齐美尔曼送来的文章后,决定计算行星运动的轨道。高斯根据
皮亚齐提供的仅9°的一段小弧的观察数据,经过几个星期的计算,得出“谷
神星”在 360°上的运动轨道,同时创立起由三次观测决定小行星运动轨道
的计算方法。1802年,人们利用高斯的计算结果,重新找到了谷神星。从1802
年起,高斯又相继算出了智神星、婚神星和灶神星的轨道,还作了规模极大
的关于行星摄动的计算。
在计算行星运转轨道时,高斯高超的计算技术和顽强奋斗的毅力得到了
充分的体现。有一个有趣的对比,1769年,欧拉为了计算一颗彗星的轨道,
足足进行了三天紧张的工作,致使后来瞎了一只眼睛,而同样的计算,高斯
却只用了一个小时。高斯幽默地说:“如果我在3天内连续进行欧拉那样的
计算,显然,我也会双目失明的。”其实,高斯在计算时也花了很大的力气。
在计算“智神星”时,他必须算出约33。7万个数字,他1天计算3300个数
字,共花了100多天的时间。在3个多月的时间内,共记录下4000个左右的
计算结果。
高斯对此说:“我对数学上复杂的运算总是爱不释手,只要我认为是一
件有意义的事,值得向人们推荐,我都愿意竭尽全力去完成,哪怕是钻牛角
尖。”从这里,我们可以看到高斯忘我工作的精神和对科学执着追求的精神。
高斯在天文学上取得的一系列重大成就,使他名声大振,贺电、请柬、
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奖金、学位证书和科学院院士头衔纷至沓来。哥廷根市政府授予高斯“哥廷
根巨人”的光荣称号。在一次学术会议上,德国著名自然科学家洪堡 (1769
—1859)问法国大数学家拉普拉斯,谁是德国最大的数学家。拉普拉斯说:
“帕夫。”洪堡大吃一惊,问:“那么高斯呢?”拉普拉斯说:“高斯是世
界上最伟大的数学家。”
高斯是一个热爱家乡、热爱祖国的人,尽管有很多国家用高薪聘请他,
他都没有去。1802年,彼得堡科学院天文台(今普尔柯沃天文台)曾用高薪
邀请他任台长,高斯婉言谢绝了,因为资助他的斐迪南公爵不同意他去,同
时他自己也不愿离开祖国和家乡。他在1803年6月21日写给朋友鲍耶的信
中说:“我不能离开家乡去俄国彼得堡任台长,因为不仅公爵不同意我去,
而且我也十分爱我美好的祖国。如果不是令人生厌的战争阻碍我计划的实
现,我真渴望在家乡的一座小小天文台工作,对天文学、星象学和地磁学进
行深入的研究,我精神上的罗针将永远被上述工作所吸引。”
1804年,哥廷根天文台聘请高斯去任台长,高斯舍不得离开家乡布伦瑞
克,没有去。后来,因费迪南公爵被捕,在法兰西监狱一次逃亡中丧生,使
高斯想在布伦瑞克建立一座天文台的计划落空,他才在家庭生活沉重负担的
迫使下离开家乡,1807年7月25日去哥廷根天文台工作。
高斯任哥廷根天文台台长初期,正值普法战争失败。普鲁士居民要向法
国交纳10亿以上的赔偿费。高斯一家也不例外。生活虽然艰苦,但高斯从不
接受别人的馈赠。他继续进行天文学的研究工作。
1809年,高斯的第二本巨著《天体沿圆锥曲线绕日运动的理论》一书正
式出版。这部书最初是用德文写的,但是出版商为追求利润,希望高斯用拉
丁文写。为了不使这部书夭折,高斯用拉丁文改写了此书。在这部书中,他
首先公布了最小二乘法原理的应用,并阐述了在各种观测情况下,如何计算
圆锥形轨道的方法和摄动的理论。系统的论述和严谨的证明使这本书成为天
文学中的优秀著作。鉴于高斯研究行星轨道及其摄动方面的重大成就和这本
著作的出版,法国巴黎科学院在 1810年授予高斯“优秀著作和最佳天文观
测”的荣誉称号,同时颁发巨额奖金。
然而,就是这本给高斯带来荣誉的巨著。同时也给他带来了烦恼。
高斯在这部书中提到他远在1794年就发明了最小二乘法,这件事引起了
当时法国数学家勒让德的不满。勒让德在1806年《决定彗星轨道的新方法》
中提出了最小二乘法。勒让德当即给高斯写信,希望高斯不要掠人之美。高
斯表现得十分平静,他不愿意为这件事动肝火。他在写给朋友奥尔伯斯的信
中说:“似乎我的命运就是如此——我所有的理论著作都与勒让德发生了冲
突。比如,高等算术(数论)、有关椭圆弧长的超越函数的研究和几何基础,
而现在又在这里,我在1794年所应用的原理,就是为了用最简的方法求得一
些绝对不可知的真值,而令误差平方之和为最小,这一原理也同样应用于勒
让德的著作中,其中阐述得十分有根有据。”这场风波由于高斯的不申辩而
宣告平息。这在很大程度上表现了高斯不贪图名利。
此后,高斯又在天文学方面取得了一系列成果。1808年,他创立太阳等
高法求钟面时与视正午的改正数,用太阳近子午线高度求纬度的方法,还创
立同时测定钟差和纬差的多星等高法。1818年,他建立了高斯形式的任意常
数变易法和长期差理论,用以计算行星轨道要素的长期变化。用这个方法,
英国天文学家亚当斯(1819—1892)计算出狮子座流星群升高点的长期变化;
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美国希尔(1838—1914)则计算出水星、金星的长期摄动。
1815年,“高斯天文学校(现名)”正式成立,高斯在这所学校中任天
文学教授。在他精心培育下,许多优秀学生后来都成了著名的天文学家,如
莱比锡天文台台长默比乌斯、柏林天文台台长恩克、马尔堡天文台台长格尔
林和曼海姆天文台台长尼古拉等等。
从1801年至1818年,高斯在天文学领域里大展奇才,为天文学的发展
作出了应有的贡献。
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五、从事大地测量
1818年以后,高斯开始从事大地测量工作。早在18世纪初,欧洲科学