拉普拉斯 -法國數學家、物理學家

拉普拉斯

法國數學家、物理學家
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皮埃爾-西蒙·拉普拉斯侯爵(Pierre-Simon marquis de Laplace,1749年3月23日-1827年3月5日),法國著名的天文學家和數學家,天體力學的集大成者。1749年生于法國西北部卡爾瓦多斯的博蒙昂諾日,1816年被選為法蘭西學院院士,1817年任該院院長1812年發表了重要的《概率分析理論》一書,在該書中總結了當時整個概率論的研究,論述了概率在選舉審判調查、氣象等方面的套用,導入”拉普拉斯變換“等。在拿破崙皇帝時期和路易十八時期兩度獲頒爵位。拉普拉斯曾任拿破崙的老師,所以和拿破崙結下不解之緣。1827年3月5日卒于巴黎

  • 中文名
    皮埃爾-西蒙·拉普拉斯侯爵
  • 外文名
    Pierre-Simon marquis de Laplace
  • 國籍
    法國
  • 出生地
    法國西北部卡爾瓦多斯的博蒙昂諾日
  • 出生日期
    1749年3月23日
  • 逝世日期
    1827年3月5日
  • 職業
    天文學家和數學家
  • 畢業院校
    開恩大學
  • 代表作
    《宇宙體系論》、《分析概率論》《天體力學》
  • 成就
    拉普拉斯定理,拉普拉斯方程,科學院院士。

人物簡介

皮埃爾-西蒙·拉普拉斯,1749年3月23日生于法國西北部卡爾瓦多斯的博蒙昂諾日,曾任巴黎軍事學院數學教授。1795年任巴黎綜合工科學校教授,後又在高等師範學校任教授。1799年他還擔任過法國經度局局長,並在拿破崙政府中任過6個星期的內政部長。1816年被選為法蘭西學院院士,1817年任該院院長。1827年3月5日卒于巴黎。 拉普拉斯在研究天體問題的過程中,創造和發展了許多數學的方法,以他的名字命名的拉普拉斯變換拉普拉斯定理拉普拉斯方程,在科學技術的各個領域有著廣泛的套用。

生平經歷

拉普拉斯家境貧寒,靠鄰居的周濟才得到讀書的機會。16歲時進入開恩大學,並在學習期間寫了十篇關于有限差分的論文。在完成學業之後,他帶著介紹信從鄉下到巴黎去求見大名鼎鼎的達朗貝爾,薦書投去,杳無音訊,因為達朗貝爾對于隻帶著大人物的推薦信的年輕人不感興趣。拉普拉斯並不氣餒,隨即寫了一篇闡述力學一般原理的論文,求教于達朗貝爾。由于這篇論文異常出色,達朗貝爾為其才華所感,欣然回了一封熱情洋溢的信,信中寫道:“拉普拉斯先生,你看,我幾乎沒有註意你那些推薦信;你不需要什麽推薦。你已經更好地介紹了自己。對我來說這就夠了;你應該得到支持。”達朗貝爾還很高興的當了他的教父,並介紹他去巴黎陸軍學校任教授。拉普拉斯事業上的輝煌時期便從此開始。1773年被選為法國科學院副院士;1783年任軍事考試委員,並于1785年主持對一個16歲的惟一考生進行考試,這個考生就是後來成為皇帝的拿破崙(Nopo1eon);1785年當選為法國科學院正式院士;自1795年以後,他先後任巴黎綜合工科學校和高等師範學校教授;1816年被選為法蘭西學院院士,一年後任諒院主席。他還被拿破崙任命為內政部長,元老議員並加封伯爵。拿破崙下台後,路易十八(LouisXVIII)重登王位,拉普拉斯又被晉升為侯爵

拉普拉斯拉普拉斯

拉普拉斯才華橫溢,著作如林,在青年時代就發表了一系列的論著。24歲當選為法國科學院副院士,科學院在一份報告中曾這樣評價他:還沒有任何一位像拉普拉斯這樣年輕的科學家能在如此眾多如此困難的課題上,寫出如此大量的論文

拉普拉斯的研究領域是多方面的,有天體力學概率論微分方程復變函式、勢函式理論、代數、測地學、毛細現象理論等,並有卓越的創見。他是一位分析學的大師,把分析學套用到力學,特別是天體力學,獲得了劃時代的結果。他的代表作有:《宇宙體系論》、《分析概率論》《天體力學》。

《宇宙體系論》(1796年)是一本解釋宇宙的、文字通俗的科普讀物。他所提出的太陽系生成的星雲假設說就收集在此書的附錄裏。這一假說1755年康德(Kant)雖已述及,但康德主要是從哲學的角度加以考慮的,而拉普拉斯則是從數學、力學的角度進行推導的,這不但充實了星雲假說的內容,而且作出了詳細的科學論證。因此,人們常把這一假說稱為“康德-拉普拉斯星雲假說。”

《分析概率論》(1812年)匯集了40年以來概率論方面的進展以及拉普拉斯自已在這方面的發現,對概率論的基本理論作了系統的整理,他在該書的引言中寫道:“歸根到底,概率論隻不過是把常識化成計算而已。”這本書包含了幾何概率、伯努利定理和最小二乘法原理等。著名的拉普拉斯變換就是在此書中述及的。1814年他還出版了《概率的哲學探討況 他被公認為是概率論的奠基人之一。

《天體力學》共有五卷。這部巨著把牛頓、達朗貝爾、歐拉、拉格朗日諸位大家的天文研究推向了高峰。用拉普拉斯自已的話來說,寫這部書的目的在于對太陽系引起的力學問題提供一個完全的解答。它吸取了前人的大量成果,給予天體運動以嚴格的數學的描述,對位勢理論同樣作站了數學刻畫。這對後來物理學、引力論、流體力學、電磁學以及原子物理等,都產生了極為深遠的影響。在位勢理論中他提出了有名的“拉普拉斯方程”。這部巨著使他贏得了“法國的牛頓”的美稱。圍繞這部著作流傳有不少故事:有一次拿破崙指責他說:“拉普拉斯先生,有人說你這部書中,從未提到上帝是宇宙的創造者。”拉普拉斯幽默的答道:“陛下,我不需要作這個假設。”哈密頓讀了《天體力學》,17歲便寫文章訂正其中的一個錯誤,從此開始了自已的數學生涯;格林(Green)則從《天體力學》受到啓發,開始將數學用于電磁學;美國天文學家鮑迪奇(Bowditch)在翻譯了《天體力學》之後說:隻要一碰到書中“顯而易見”這句話,我就知道總得花兒個小時某思苦想去填補這個空白。

拉普拉斯對解釋世界的任何事情都感興趣。他研究過流體動力學、聲的傳播和潮汐現象。在化學方面,他關于物質液態的論著是經典之作。他關于毛細管中使水上升的表面張力的研究以及在液體申內聚力的研究,都有重大的發現。他研究過復變函式求積法,並把實積分轉換為復積分來計算。拉普拉斯方程更是重要的微分方程。他研究了奇解的理論,把奇解的概念推廣到高階方程和三個變數的方程,發展了解非齊次線性方程的常數變易法,探求二階線性微分方程的完全積分。拉普拉斯也很重視研究方法,他十分愛用歸納和類比。他曾說:“甚至在數學裏,發現真理的主要工具也是歸納和類比。”

拉普拉斯在政治上是一個機會主義者。在法國大革命時期,隨著政局的動蕩、改朝換代,他也隨波逐流,反復不斷地扮演了共和派與保皇派的雙重角色,他機靈到能夠使敵對的雙方在不論哪一方上台掌權時,都相信他是自己的一個忠誠的支持者,因此每次改宗後他都能獲得更好的差使和更大的頭銜。為此有人把他比做英國文學作品中的假聖人布雷牧師。拿破崙在流放期間說過:“拉普拉斯是第一流的數學家,但事實很快表明他不過是一個平庸的行政官員,……他把無窮小精神帶進了政府之中。”拉普拉斯的另一個缺點是:在他的著作中,他常常完全不提前人和同時代人的論述與功績,給人的印象是其著作中的思想似乎完全出自于他本人。例如,他在《天體力學》中不聲不響地從拉格朗日那裏取用了位勢概念,並把這一概念用得十分廠泛,以致從他那時起,勢論中的基本微分方程被人稱作拉普拉斯方程。他在《分析概率論》中,引用別人的成果也不提及別人的名字,而是把它們同自己的成果混在一起。他的這些品格遭到了後人的非議。

拉普拉斯雖有上述缺點,但作為一個科學家,在席卷法國的政治變動中,包括拿破崙的興起和衰落,都並末顯著地影響他對科學的研究。另外他也能慷慨幫助和鼓勵年輕的一代。例如,化學家蓋·呂薩克(Gay Lussac)、旅行家和自然研究者洪堡爾曉(Hum-boldt)、數學家泊松(Poisson)、柯西都曾得到過他的幫助和鼓勵。他學識淵博,但學而不厭。他的遺言是:“我們知道的是微小的,我們不知道的是無限的。”他曾說:“自然的一切結果都隻是數目不多的一些不變規律的數學結論。”他還強調指出:“認識一位巨人的研究方法,對于科學的進步,……並不比發現本身更少用處。科學研究的方法經常是極富興趣的部分。"

成就榮譽

拉普拉斯把註意力主要集中在天體力學的研究上面。他把牛頓的萬有引力定律套用到整個太陽系,1773年解決了一個當時著名的難題:解釋木星軌道為什麽在不斷地收縮,而同時土星的軌道又在不斷地膨脹。拉普拉斯用數學方法證明行星平均運動的不變性,即行星的軌道大小隻有周期性變化,並證明為偏心率和傾角的3次冪。這就是著名的拉普拉斯定理。此後他開始了太陽系穩定性問題的研究。同年,他成為法國科學院副院士。

1784~1785年,他求得天體對其外任一質點的引力分量可以用一個勢函式來表示,這個勢函式滿足一個偏微分方程,即著名的拉普拉斯方程。1785年他被選為科學院院士。

1786年證明行星軌道的偏心率和傾角總保持很小和恆定,能自動調整,即攝動效應是守恆和周期性的,不會積累也不會消解。拉普拉斯註意到木星的三個主要衛星的平均運動Z1,Z2,Z3服從下列關系式:Z1-3×Z2+2×Z3=0。同樣,土星的四個衛星的平均運動Y1,Y2,Y3,Y4也具有類似的關系:5×Y1-10×Y2+Y3+4×Y4=0。後人稱這些衛星之間存在可公度性,由此演變出時間之窗的概念。

1787年發現月球的加速度同地球軌道的偏心率有關,從理論上解決了太陽系動態中觀測到的最後一個反常問題。

1796年他的著作《宇宙體系論》問世,書中提出了對後來有重大影響的關于行星起源的星雲假說。在這部書中,他獨立于康德,提出了第一個科學的太陽系起源理論——星雲說。康德的星雲說是從哲學角度提出的,而拉普拉斯則從數學、力學角度充實了星雲說,因此,人們常常把他們兩人的星雲說稱為“康德-拉普拉斯星雲說”。

他長期從事大行星運動理論和月球運動理論方面的研究,尤其是他特別註意研究太陽系天體攝動,太陽系的普遍穩定性問題以及太陽系穩定性的動力學問題。在總結前人研究的基礎上取得大量重要成果,他的這些成果集中在1799~1825年出版的5卷16冊巨著《天體力學》之內。在這部著作中第一次提出天體力學這一名詞,是經典天體力學的代表作。因此他被譽為法國的牛頓和天體力學之父。 1814年拉普拉斯提出科學假設,假定如果有一個智慧型生物能確定從最大天體到最輕原子的運動的現時狀態,就能按照力學規律推算出整個宇宙的過去狀態和未來狀態。後人把他所假定的智慧型生物稱為拉普拉斯妖。

他發表的天文學、數學和物理學的論文有270多篇,專著合計有4006多頁。其中最有代表性的專著有《天體力學》、《宇宙體系論》和《概率分析理論》(1812年發表)。

與拿破崙

拉普拉斯曾任拿破崙的老師,所以和拿破崙結下不解之緣。拉普拉斯在數學上是個大師,在政治上是個小人物、牆頭草,總是效忠于得勢的一邊,被人看不起,拿破崙曾譏笑他把無窮小量萠精神帶到內閣裏。在席卷法國的政治變動中,包括拿破崙的興起和衰落,沒有顯著地打斷他的工作。盡管他是個曾染指政治的人,但他的威望以及他將數學套用于軍事問題的才能保護了他,同時也歸功于他顯示出的一種並不值得佩服的在政治態度方面見風使舵的能力。

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