他是科學史上一位罕見的全才,是機率論的創始人,近代天文學的重要開拓者,被稱為應用數學領域的先驅,他就是人稱“法國牛頓”的比埃爾·拉普拉斯。
比埃爾·拉普拉斯
1749年3月23日,拉普拉斯生於法國諾曼底的博蒙特,從小就顯示出了超常的數學才能。在大學學習期間,講授數學的兩位老師都很有名,一位是克里斯托弗·伽德布萊德,另一位是皮埃爾·利卡努,這兩位老師把自己對數學的熱愛都投放到了數學教育上,是他們燃起了拉普拉斯對數學的熱情,也把拉普拉斯的數學天賦充分地開發了出來。他們一致認為,拉普拉斯應該在數學上繼續發展。
18歲那年,為了實現數學理想,拉普拉斯帶著利卡努的推薦信來到巴黎。此時達朗貝爾已經是法國數學界的領軍人物,第一次求見遭到了拒絕,拉普拉斯並不甘心,又寄去了一篇關於力學的論文,這篇論文展示了拉普拉斯的才華,終於敲開了達朗貝爾的大門。
達朗貝爾(1717~1783)法國著名的物理學家、數學家和天文學家
但據拉普拉斯的祖父回憶,達朗貝爾對這位年輕人並不感興趣,為了嚇走他,擲給他一本又厚又重的數學書,冷冷地說:“讀完了這本書再說。”幾天以後,拉普拉斯又來了。達朗貝爾依舊不很友好,懷疑他是否真的讀完了,即使翻過也不見得都能讀懂。隨口出了幾個問題,達朗貝爾都給出了迅速而準確的回答,達朗貝爾這才知道這位年輕人沒有說謊。他又給拉普拉斯提出了幾道更難的題目,拉普拉斯用了一整晚把它們都解了出來。達朗貝爾驚訝地發現,這是位不可多得的人才,從那以後,拉普拉斯不僅成為達朗貝爾的助手和得意弟子,而且有了穩定的教學工作,解決了生計上的後顧之憂,得以全身心地投入數學研究。
1770年3月28日是拉普拉斯向法國科學院遞交了第一篇論文,這篇論文巧妙地給出了拉格朗日最大最小曲率問題的證明,雖然只是在會上宣讀並沒有發表,但拉普拉斯的數學才華開始受到法國數學界的注意,此時他年僅22歲。
在1770年7月18日,他又發表了另一篇關於微分方程的論文,同時把第一篇論文翻譯成拉丁文,於1771年在萊比錫一個數學雜誌中發表(4年之後,他對這篇論文做了修改,於1774年再度發表)。
1771年,他再次寄出了一篇關於微分方程的積分問題的論文,這篇論文在力學和天體物理學中有重要的應用。
正由於這兩年的成果,他獲得了法國科學院會員的提名,但是選舉中以行列式理論研究著稱的數學家兼音樂家範德蒙特取得了優先。第二年拉普拉斯再度參選,但這一次哲學家維克多·考森被選上了。23歲的拉普拉斯血氣方剛,他自認為前兩人的學術水平不如他。達朗貝爾也感到失望,就在1773年元旦這一天,他給柏林科學院的數學部主任拉格朗日寫了一封信,詢問拉普拉斯是否可以參選柏林科學院會員。就在拉格朗日回信前,於 1773年3月31日,拉普拉斯被選為法國科學院會員。在這次競選中,他宣讀了此前3年內發表的13篇論文。科學院秘書處在備案時稱拉普拉斯以多數量和高質量水平的論文開創了法國科學院吸納會員的歷史新紀錄!
約瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange,1736~1813),法國著名數學家、物理學家
拉普拉斯在應用數學和機率論上的貢獻達到了當時數學界的最高水平。1812年他的《機率論》出版,其中研究了普遍函式,建立和發展了微分方程、差分方程、機率與統計學。在機率論中,他首先給出了一些重要概念的定義,澄清了前期機率論的混亂局面,討論了變數的近似理論,發展了貝葉斯的統計學解釋(多年以後稱為龐加萊定理),建成了拉普拉斯方程並建立了拉普拉斯原理,他的這些成果在理論物理的許多分支上都獲得了重要的應用。在機率論研究中,拉普拉斯的“決定論”哲學思想對後世影響很大,他的“拉普拉斯妖”的說法(拉普拉斯妖:此“惡魔”知道宇宙中每個原子確切的位置和動量,能夠使用牛頓定律來展現宇宙事件的整個過程,過去以及未來。)更是名噪一時,使他成為“決定論”思想的代表性人物。
在天體力學中,拉普拉斯的許多成果都是具有開創性的。1771年11月27日,作為一位數學家,他首次涉足天體物理,發表了一篇利用數學研究行星運動的論文。從此以後,他的研究重點集中在機率論和天體力學上,他的許多成果至今仍然有很高的參考價值。
從1773年到1776年,拉普拉斯根據牛頓的引力理論,利用微分方程計算了天體運動,解決了行星在多體執行干擾下的進動;討論了困擾當時天文學家的土星和木星的軌道,以及月球的環繞運動;研究了星體的形狀和潮汐運動;證明了太陽系的穩定性等。從1776年到1813年,他與路易斯·拉格朗日一起,為“方位天文學”建立了嚴格而又精確的新標準;他所創立的新行星表在19世紀天文學中得到廣泛的應用。
在太陽系內,8大行星在環日執行中,為什麼在彼此干擾下能保持長期的穩定,這個使人們迷惑不解的問題涉及複雜而艱難的多體運動計算,長期沒能得到解決。1786年,拉普拉斯完成了多體運動的計算,得出了多體運動相互影響所造成的行星進動,但經他數學證明,這些進動的數量級與其循軌運動相比,不僅非常微小,而且是可以“自我修復”的,因而整體太陽系是穩定的。他更進一步討論了地球的形狀以及海洋的潮汐運動規律。他把這些成果綜合起來,發表在1789年出版的《天體力學原理》一書中。這部名著使天文學從“觀測”飛躍到了理論研究,從中展示了拉普拉斯的數學才能,經他之手,既使數學開創了理論天文學,也使天文學成為應用數學發展的突破口。
1796年,拉普拉斯又發表了另一部關於太陽系起源的專著。在這部書中,在回顧了天文學的歷史發展後,他提出了太陽系的星雲起源假說,這是一個極具建設性的思考。透過機率運算,他對彗星所持有的觀點與現代的災變說非常接近。他說:“雖然千萬年來彗星與地球相撞的機率是一個非常小的數,然而不難想象,這種撞擊已經給地球帶來了嚴重的後果。例如,地球的轉軸已經發生了偏移,海洋離開了它們原來的位置,人類和動物成批地葬身於全球性的大洪水中,或者在強烈的全球性震動中被焚燬。”更難能可貴的是,他是第一個首先預言“黑洞”存在以及“引力坍縮”的人。
在《天體力學原理》的最後,他說出了一段非常具有指導意義的話,他說:“如果一個人只限於收集現象,這樣的科學家只是一個‘溫室的花朵’,他不可能認識到偉大的自然規律。只有把各種現象彼此相互比較,挖掘出其中深層次的關係,才能找出其中的規律來。”拉普拉斯的“深層次”挖掘就有數學理論的應用,這句話也是他科學思想與研究方法的總結。
設在拉普拉斯出生地博蒙特鎮的雕像
在成為法國科學院會員的12年後, 1785年拉普拉斯已經身居科學院元老的地位。在他的率領下,法國科學院制定出了度量重量的標準,這個委員會包括拉瓦錫、包達、哥倫布、布里森和達朗貝爾。
到了18世紀80年代,拉普拉斯所獲得的巨大成果,使他不僅在數學界知名度很高,在其他領域中也具有影響力,在這一點上,他遠遠超過了他的數學同行。他用定量的方法研究各種現實的體系,既有物理的,也有天文學的,他甚至與拉瓦錫合作,將他的數學拓展到了化學領域,在這一領域中,他研究了化學熱現象,成為物理化學學科的開端。
在1780年之後,拉普拉斯在物理方面的工作已經遠遠地超出了力學範圍,由於涉及問題入手之深,理論水平之高,對後期產生了巨大影響。例如他認為,只要首先確定氣體中分子和分子之間的距離與相互作用的形式,就可以分析很多相關的現象。他試圖用這種方法確定容器中氣體壓強和密度的關係、大氣的壓強、大氣的折射、毛細作用、聲的傳播速度以及一些熱學理論。
到了1806年以後,他更是從彈性流體的角度,討論了地球從熾熱到冷卻的過程中,由於自旋引起的形狀變化,後來甚至從哲學高度討論了引力作用的傳播。這些研究一直持續到了1821年,此時他已經72歲。這些成果後來被編輯到他1820年出版的《分析學理論》中。
由法國巴黎科學院出版的拉普拉斯的系列著作的第一版
拉普拉斯出身於篤信天主教的家庭,但他本人卻是個無神論者。他否認“上帝是世界的數學設計者”。有個著名的故事說,當拉普拉斯把他的《天體力學》呈現給拿破崙時,拿破崙對他說:“拉普拉斯先生,他們告訴我,你寫了這本關於宇宙系統的書,卻根本沒有提到它的創始者。”據說拉普拉斯回答得很乾脆:“我不需要這種假設。”對於拉普拉斯來說,世界就像鐘錶那樣,是確定的。
拿破崙
在拉普拉斯的帶領下,法國數學界不僅興旺一時,而且成為物理和化學研究的積極參與者,由此聚合出一個經常聯絡的小團體,其中有達朗貝爾、拉格朗日、勒讓德、比奧特、泊松、阿拉果等人。他們的工作強烈地影響著物理學和化學的研究方向,也開創和發展了應用數學研究的先河,使之形成數學中的一個獨立的領域,拉普拉斯成為這一研究的領軍人物,被世人尊稱為“應用數學的先驅”。