數學王子-高斯,不用望遠鏡也能知道行星的位置

朝宗驚鳴 2024-04-28 17:51:58

高斯有人說他是一位偉大的數學家,一生發表了數不勝數的數學理論,這些理論是我們數學課上必學的經典。而他所發表的數學理論到現在仍是前沿科技人工智能等技術的必要工具,同時他是一位自稱業余的專業天文學家,沒有望遠鏡,卻能通過數學理論發現新的行星。但是他也是一位偏執的完美主義者,甚至爲了自己的名聲把自己的孩子逼到出了國。

1777年4月30日,高斯在布倫瑞克的沃爾芬比特爾公國(現今的德國下薩克森州)出生。他的父母都是貧困的工薪階級,但高斯從小就展現出過人的天賦,特別是在數學上。

在不到3歲的時候,其中父親是一個泥水匠工頭,是個典型的大男人主義。比如他在外面工作時,很受外面的人敬重,但是在家裏是個暴君,不喜歡做家務而且喜歡跟小高斯吵架。而母親是個女傭,雖然沒怎麽讀過書但是溫柔體貼,遇到事情時總會袒護一下小高斯,雖然父母的文化水平不高,但是高斯從小就展現出過人的天賦,特別是在數學上。在高斯不到3歲的時候,高斯的父親經常需要外出幹活。而幹活的時候呢他總會帶上自己的兒子高斯,給他計算建房所需的磚頭和瓦片的數量。

雖然是個不到3歲的小孩,但高斯對世界充滿了好奇心,尤其是在父親給其他人算工資的時候,他總是悄悄地重新把父親算的工資核對一遍。一天,父親發工資給其他人的時候,高斯發現父親算錯了,並當衆指出了錯誤。讓在場的人大吃一驚,畢竟才不到3歲啊,但高斯的算術能力已經超越了他的父親。

到了9歲,高斯的老師要學生們寫出1-100的數字並求出它們的總和。高斯花了幾秒鍾算了一下,得出了正確答案,而其他小朋友花了很長時間卻算錯了。高斯的傑出數學能力讓他的老師感歎不已,同時也覺得自己教不了高斯更多的知識了。于是給高斯買了幾本好的數學書,高斯如獲至寶,有空就看這兩本書。

雖然高斯天資聰慧,但是由于家庭貧寒,高斯還是要自己賺取一些家用。晚上高斯需要吃一定量的亞麻絲,甚至需要劈柴,他的父親無力承擔他繼續上學的費用,將來是打算讓高斯也當泥水匠的,幸好後來老師找到高貴人士出資給高斯讀書,從此頑固的父親,在晚上不再要高斯幹自己的活了,于是高斯經常和朋友挑燈夜讀專攻數學。在11歲的時候,他已經能導出二項定理的一般展開式,並對無限級數的展開非常熟悉。這些內容,我們現在的高中才會學到,于是神童高斯在當地頗爲聞名。而這位高貴人士正是當地的領主-布倫瑞克公爵,當時有習俗就是貴族或是有錢的商人會資助家境貧困的聰明子弟讀書,以備將來他們用才之需。

1791年,布倫瑞克公爵引薦高斯,並決定當年6月起,決定給他10塔勒的薪酬,外加一些其他用費。塔勒是德國的舊銀幣,10塔勒幾乎相當于一個成年人一個月的工資。高斯成了中産階級,可以無憂無慮地進行學習,同時還獲得了一些書本作爲獎賞。其中有一本是對數表。

高斯常常使用它,還簽上了自己的名字-Gauss1791,自從高斯得到公爵的年金後,他的父親再也沒有理由反對高斯升學。于是在1795年10月5日,高斯正式成爲哥廷根大學數學系的學生。

哥廷根大學是英王喬治二世于1737年創辦的,其辦學模式仿照牛津大學和劍橋大學,比其他德國大學擁有更好的環境與條件,是一所妥妥的名校。而這時候,他有158塔勒的年工資,在收入上可以說是妥妥的中産以上了。

在哥廷根大學學習期間,高斯發表了不少數學理論。其中有一個讓高斯特別滿意的理論,就是利用尺規的正十七邊形幾何做法。這個理論在當時引起了轟動,高斯甚至想以後在自己的墓碑上也刻一個上去。然而,這個太爲難當時的石匠了,因爲正十七邊形已經非常接近圓形,做工方法非常複雜,于是被石匠拒絕了。

有了錢和精湛的數學能力,高斯不小心踏上了他的天文學巅峰之路。18、19世紀是天文學發展最爲迅速的一個時期,觀測天文學在技術和儀器上都有長足的發展。太陽系的其他行星相繼被發現。

1801年是高斯劃時代的一年。以至于過後他回想起來,覺得有那麽多科學真理湧現在他腦海中使他無法抵擋。什麽樣的靈感浮現在高斯的腦海中?在1801年的9月29日,一本叫做《天文月刊》的雜志刊登了一個關于谷神星的訊息,引起了高斯的興趣。雜志上有一位叫皮亞奇的天文學家想知道這個奇特行星的軌道,因爲谷神星從1801年的1月1日被發現以來,一直鬼鬼祟祟,軌道一直還是個謎。

皮亞奇對他前後觀測了41天,卻只有3天能觀測得到。于是,高斯打算在這三天觀測數據的基礎上,用數學來找出谷神星的真實軌道,並做出下次出現時間與位置的預測。他心裏想著肯定有一個橢圓軌道可以配適上比亞奇所記載的觀測數值。結果高斯花了一個多月就把難倒其他天文學家大半年的問題給完美解決了。

于是高斯和其他天文學家一樣,把結果發表在天文月刊上,並預測在1801年的12月31日至1802年的1月1日能再次看到谷神星。那個時候,衆多天文學家不清楚高斯是哪裏冒出來的黃毛小子,大家抱著將信將疑的想法,在12月31日對谷神星進行了觀察,結果還真的發現了谷神星。天文學家爲谷神星的再現狂喜不已,同時高斯的名聲也通過這個事情傳遍了全世界。大家從此認爲他是世界一流的天文學家。

然而,大家還不知道,高斯在那個時候連望遠鏡等基本的天文學儀器都沒有。他只是根據數學理論算出了谷神星的軌道而已。由于高斯沒有望遠鏡,他在1802年1月18日寫信給海因裏希奧伯斯,詢問他關于谷神星的觀測結果。

奧伯斯是一位成功的醫生兼傑出的業余天文學家,同時也是高斯的校友。當時,高斯和他並沒有互相認識,但這次的聯系成爲了他們間友誼的開始。據說奧伯斯是個工作狂,每天的睡眠時間不超過4小時。白天他是醫生,晚上10點過後,他會在家裏屋頂上的觀測站看天象,妥妥的007節奏。

當時德國的天文學家都很喜歡圍繞在奧伯斯的身邊,認爲他是他們的原動力。從他的觀測站,可能可以獲得一些新的觀測資料,如果憑借這些資料有新的發現,那麽他們就可以名垂不朽了。

在1802年,奧伯斯在谷神星附近發現了一顆新星,叫做智神星。1804年,他又發現了一顆名爲婚神星的行星。有了高斯這位傳奇的天文學家,大家都找他來計算這些行星的軌道。這些小行星的軌道自然都是由高斯計算的。大家驚訝地發現,高斯一個小時就可以算出一個小行星的軌道,而用歐拉古老的法則則需要花上整整3天的時間。

後來,高斯出版了一本名爲《天體之運動論》的書,這本書受到了熱烈的追捧。形式上簡潔,文筆優雅,處處充斥著高斯追求的完美性和獨創性。加上當時常有新星出現,天文學家不得不借助他來計算星座的軌道,因此這本書出版後流傳了40年之久,成爲天文學家們必須精通的教科書。學者們對這本書的評價很高,世界各地的學會也紛紛征聘高斯爲他們的會員。法國科學院更是在1810年贈送給他一枚高級天文學家獎章,這是法國科學院設立的獎項。

然而,由于當時法國的拿破侖到處與歐洲其他國家打仗,高斯所居住的地方也受到了牽連。高斯拒絕了這個獎項,後來科學院秘書動用關系,用獎金的一部分購買了一座天文擺鍾,婉轉地送給了高斯。他才接受了這個鍾,鍾放在高斯的房間裏。

大學畢業後的1805年10月9日,高斯與他的第一任妻子約翰娜奧斯托夫結婚,兩人青梅竹馬,深深地相愛。他們的婚姻被認爲是高斯一生中最幸福的時刻。然而,好景不長。在結婚後的四年裏,約翰娜因難産去世,更不幸的是,她所生的小兒子小路易斯也在幾個月後離世。這對高斯來說是巨大的打擊。

高斯的好友奧伯斯收到了他寫給他的一封信,信上淚迹斑斑,寫道:“昨夜8點,我蓋上了我的天使的雙眼,在那裏,五年來,我尋覓到我的天國。”盡管一年後高斯與另外一位女士結婚,但從此,他變得越來越固執、抑郁和極端的完美主義。

高斯對待自己的孩子也變得異常嚴格。特別是對他的第三個孩子,名叫尤金,他在數學和語文方面繼承了父親的能力。尤金本想上大學學習語言學,但高斯認爲這方面自己很有成就,擔心尤金會在這些方面給自己蒙羞,于是強迫他學習法律。尤金各種抗議無效,最終獨身一人跑到美國謀生,幸運的是,他通過自己的能力與勤奮成爲了一名成功的商人,但從此斷絕了與父親高斯的聯系。

盡管家庭不幸,高斯在數學上仍然高産。他發表了許多重要的理論,其中包括著名的高斯分布(又稱常態分布)。這個分布在學生的成績分布、人類身高等方面都有廣泛應用。現在的人工智能也經常使用高斯分布作爲初始狀態,例如在AI生成圖像中的應用。

晚年的高斯沉迷于中産階級的生活,寫下了許多數學著作。雖然他收獲了不少榮譽,但對教學反而更有興趣。他的學生中有黎曼、愛森斯坦等數學大師,甚至把愛森斯坦當成自己的兒子來對待。

1855年2月23日,高斯在睡夢中安詳去世,享年77歲。他留下了大量的數學手稿,這些手稿在後來被整理時,讓人感歎如果能及時發表,數學界或許能夠更快地前進50年。

數學的神奇之處令人感歎,而高斯的一生也是數學曆史中的傳奇

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朝宗驚鳴

簡介:熱愛體育,探索未知宇宙