阿基米德(Archimedes,公元前287—212),古希臘偉大的數學家和物理學家。
阿基米德生在希臘殖民城市西西裏島的敘拉古。他的家庭屬於貴族,是敘拉古僭主希耶隆二世的親戚,但據說並不富裕,父親菲迪阿斯是壹位天文學家。阿基米德在其父的影響下,從小熱愛學習,善於思考,喜歡辯論。他在家鄉受了教育後,便飄洋過海,到亞歷山大裏亞去求學。
亞歷山大裏亞是埃及托勒密王朝的首都,托勒密和他的繼承者們非常重視希臘所留下的文化遺產,希望把著名的學者請到亞歷山大裏亞來。他們保護科學和藝術的發展,撥出大宗款項,在亞歷山大裏亞建立了“繆澤伊昂”①, 並附設有當時世界上最大的圖書館,藏書達50多萬卷。 *** 為學者們提供優厚的待遇和科研條件,使科學家和藝術家們在這裏專心從事研究和創造。這項有遠見的科學政策,加之當時雅典的思想自由已不復存在,使希臘各地的著名哲學家和科學家雲集亞歷山大裏亞,沒有多久,這裏便成了新的文化中心。亞歷山大裏亞的研究工作主要分為文學、數學、天文和醫學四項,而數學在科學研究中占有主要地位,因此逐步形成了壹個以幾何學研究為中心的亞歷山大裏亞數學學派,從而進入了希臘幾何學的黃金時代。偉大的時代,造就偉大的人物。以歐氏幾何學名垂千古的歐幾裏得於公元前300年前後活躍在亞歷山大裏亞,他的《原本》集希臘古典時期幾何學之大成,歸納成壹個嚴謹的邏輯演繹系統,至今仍是世界各民族中幾何學教科書的藍本。
歐幾裏得為亞歷山大裏亞培養了壹大批數學家,而阿基米德的到來,使這個文化中心群星燦爛的上空升起了壹顆新的明星。他受業於歐幾裏得的門徒柯農,學習了哲學和數學、天文學、物理學等科學知識,通今博古,掌握了豐富的希臘文化遺產。他的同學阿波羅尼、埃拉托色尼、多西費、色夫柯西等等也都是有名的數學家。他回到敘拉古後,專心從事科學研究。據說,他整天都象被他所鐘情的妖魔迷住了壹樣,廢寢忘食。他常常被人逼著才去洗澡,擦香膏。就在這個時候,他還要在炭灰地上畫幾何圖形,甚至用手指在塗了油膏的肚皮上畫那些條條杠杠。他經常與亞歷山大裏亞的學者們書信往返,交流科學研究成果。因此,阿基米德的科學建樹始終保持著亞歷山大裏亞的特色。他繼承了歐幾裏得證明定理時的嚴謹性,但是,他的科學觀卻與歐幾裏得迥然不同,他的才智和貢獻也遠遠在歐幾裏得之上。阿基米德的著作比《原本》深奧得多,也許正因為如此,流傳得不如後者那麽廣泛。希臘古典數學著重於定性的研究,而對於與實際應用有關的定量研究則不屑壹顧。如歐幾裏得《原本》證明了兩圓面積之比等於其直徑平方之比就心滿意足,而對圓周長、圓面積,以及周長和直徑的比值即圓周率π的計算卻不加問津。有壹個流傳很廣的故事,說有壹個青年問歐幾裏得學習幾何有什麽用處,歐幾裏得聽了隨即吩咐仆人:“給他點錢,讓他走吧,他想靠幾何學發財呢!”不管是否確有其事,歐裏幾得及古典時期的數學家把數學只是看成思維的產物,而對它的實際應用則加以鄙視。阿基米德雖然在抽象數學上也有極高的才能,但同時卻註重長度、面積、體積的計算等與實際應用有關的研究。因此有人說,亞歷山大裏亞數學與哲學斷了交,而與工程結了盟。如果說,歐幾裏得生活在亞歷山大裏亞,他的工作是希臘古典時期數學的總結,因而應屬於古典時期的話,那麽,阿基米德盡管再沒回到過亞歷山大裏亞,但他的工作,卻是亞歷山大裏亞學派最典型最傑出的代表。
在數學上,阿基米德大大發展和加深了著名的窮竭法。所謂窮竭法,就是把要求面積(或體積)的曲線形分割成若幹直線形,無限加多這些直線形的數目,則這些直線形面積(或體積)總和,就是所求的曲線形的面積(或體積)。他用這種方法證明了圓面積與壹直角邊等於圓周而另壹直角邊等於半徑的直角三角形的面積相等,同時,他不斷增加圓內接正多邊形和外切正多邊形的邊數,使之逼近圓周,從而用內接和外切九十六邊形計算出1/7<π<,這是在世界上第壹次提出圓周率的科學計算方法(公元三世紀,我國數學家劉徽創造了用圓內接正多邊形逼近圓周證明了圓面積公式和計算π的方法,更為簡便)。他證明了球的體積等於底面是大圓面積、高是球半徑的圓錐體積的四倍(4/3πr3)。更重要的,他還用窮竭法結合力學原理得出並證明了各種復雜的平面曲線圍成的面積和各種曲面的面積及其所圍成的體積,如拋物線弓形的面積、螺旋線下的面積,球和橢球的表面積與體積,以及圓錐曲線(橢圓,拋物線,雙曲線)的旋轉體的截體表面積與體積等計算公式。他把壹塊面積或體積看成有重量的東西,並把它分成許多非常細的長條或薄片,選定壹個支點,用已知面積去平衡這些長條或薄片,求出它們的重心,然後用杠桿原理求出所求的面積或體積。阿基米德在求積問題上的力學分析法和窮竭法思想已經伸入到十七世紀無窮小分析領域,加之他在考慮螺線切線問題時突破傳統的靜態觀念,具有了瞬時運動方向的思想,在某種意義上可以說開辟了牛頓、萊布尼茲完成的微積分方法的先河。
古希臘從來沒有壹個數學家象阿基米德那樣把他的數學研究緊緊地和力學、機械學研究結合在壹起。他不僅用力學方法解決數學問題,而且用數學方法研究力學和其它實際問題。在壹般人的心目中,他在力學和機械方面的發明比他的數學還重要。還在亞歷山大裏亞求學期間,他經常到尼羅河畔散步。在久旱不雨的季節,他看到農人壹桶壹桶地把水從尼羅河裏提上來澆地,非常吃力,便創造了壹種螺旋提水器,通過螺桿的旋轉把水從河裏取上來,省了許多氣力。它不僅在埃及壹直沿用到二千二百年後的今天,而且也是當代用於水中和空中的壹切螺旋推進器的原始雛型。這種提水器實際上運用了杠桿原理。阿基米德在《論杠桿》(已失傳)中詳細論述了這個原理。他非常重視杠桿的作用。有壹次,希耶隆二世對杠桿的威力表示懷疑,兩人辯論了起來。國王要阿基米德移動載滿重物和乘客的壹艘新三桅船,阿基米德接受了挑戰。他設計並制造了壹組復雜的滑輪裝置。表演那天,觀者如堵。只見阿基米德搖著手柄,船慢慢地進入水中,群眾發出了歡呼聲,國王也心服口服。
阿基米德建立了流體靜力學。據說,希耶隆二世造了壹頂金王冠,他懷疑金匠欺騙了他,在王冠中摻有銀,便請阿基米德鑒定,但不許弄壞王冠。那時,人們還不知道不同的物體有不同的比重,阿基米德冥思苦想,無計可施。有壹天,他去洗澡,當他躺進盛滿溫水的浴盆中的時候,浴盆中的水漫溢出來,而他則感到身體微微上浮。壹道靈感的閃光掠過他的腦際:相同重量的物體,由於其體積不同,排出的水量也不同……他猛地從浴盆中跳出來, *** ,高興地喊著:“攸勒卡!”“攸勒卡!”(古希臘語:找到了!)跑上了大街,跑回了家。他的仆人氣喘籲籲地追上了大街,追到了家,看到阿基米德正在作試驗:他把王冠放在盛滿水的盆中,量了溢出的水,又把同樣重量的純金放在盛滿水的盆中,發現溢出的水比剛才溢出的少。問題解決了:王冠中摻有銀子。阿基米德試驗的意義當然比證實金匠欺騙國王重要得多。他發現了各種物體有不同的比重,發現了流體靜力學的基本原理——物體在液體
中減輕的重量,等於它所排出液體的重量。他的名著《論浮體》記載了這個原理,今天稱為阿基米德原理。
阿基米德的發明和創造,曾被用來保衛自己的國家。公元前三世紀末,羅馬和迦太基為爭奪西地中海的霸權,發生了第二次布匿戰爭。在希耶隆二世去世之後,原為羅馬盟邦的敘拉古倒向迦太基壹邊。公元前214年,羅馬的執政官馬賽拉斯率領軍隊攻打敘拉古。當羅馬的艦隊和陸軍逼近敘拉古城時,許多又大又重的石頭以飛快的速度投向敵人的陸軍,而壹些粗梁則撞沈了敵人的軍艦;有的軍艦還被壹種起重機式的機械抓吊到空中,掀翻過來,或摔在巖石上,掉入海裏,連人帶船粉身碎骨。原來,阿基米德多年前造的機械在敘拉古保衛戰中發揮了作用。馬賽拉斯遭到慘重損失,便佯裝退卻,而在當天夜裏迅速逼近城墻。他以為阿基米德的機器無法發揮作用了。可是阿基米德早就準備了投石機之類的短距離器械,再次打退了羅馬人的進攻。羅馬人壹籌莫展,望城興嘆,甚至談虎色變,草木皆兵,壹看到城墻上出現繩子或木梁,就以為又是阿基米德開動機器了,驚叫著“阿基米德來了!”抱頭鼠竄。
馬賽拉斯不能取勝,只好采用長期圍困的辦法,這樣整整過了兩年,到公元前212年才占領了敘拉古。馬賽拉斯十分敬佩使他屢次敗北的阿基米德,下令不準傷害他,還派了壹個士兵去請他。誰知阿基米德還不知道城池已破,此時正全神貫註地凝視著幾何圖形沈思呢。他要求把問題證完再去,激怒了這個魯莽而無知的士兵,拔出劍來刺死了這位75歲的老科學家。馬賽拉斯對阿基米德的死十分痛心,嚴懲了那個士兵,撫恤了阿基米德的親屬,隆重地追悼了阿基米德,為他建了陵墓。根據他生前的願望,在他的墓碑上刻下了標明其體積比為3:2的壹個圓柱體和內切球。
阿基米德對科學事業的偉大貢獻是永存的。後世的數學家尊稱他是“數學之神”,並且認為,任何壹張列出有史以來三位最偉大的數學家的名單中,必定會有他,另外兩位通常是牛頓和高斯,而且往往把阿基米德置於首位。物理學家認為他是流體力學的創始人,推崇他發現了杠桿原理、比重原理、斜面定律、浮力定律等等。阿基米德受到了壹位科學家所能受到的最崇高的贊譽,正如近代著名哲學家和數學家萊布尼茲所說:“誰要是精通了阿基米德和阿波羅尼的創造,那麽,他對我們時代最偉大人物的發現就不會大驚小怪了”。