数学王子-高斯,不用望远镜也能知道行星的位置

朝宗惊鸣 2024-04-28 17:51:58

高斯有人说他是一位伟大的数学家,一生发表了数不胜数的数学理论,这些理论是我们数学课上必学的经典。而他所发表的数学理论到现在仍是前沿科技人工智能等技术的必要工具,同时他是一位自称业余的专业天文学家,没有望远镜,却能通过数学理论发现新的行星。但是他也是一位偏执的完美主义者,甚至为了自己的名声把自己的孩子逼到出了国。

1777年4月30日,高斯在布伦瑞克的沃尔芬比特尔公国(现今的德国下萨克森州)出生。他的父母都是贫困的工薪阶级,但高斯从小就展现出过人的天赋,特别是在数学上。

在不到3岁的时候,其中父亲是一个泥水匠工头,是个典型的大男人主义。比如他在外面工作时,很受外面的人敬重,但是在家里是个暴君,不喜欢做家务而且喜欢跟小高斯吵架。而母亲是个女佣,虽然没怎么读过书但是温柔体贴,遇到事情时总会袒护一下小高斯,虽然父母的文化水平不高,但是高斯从小就展现出过人的天赋,特别是在数学上。在高斯不到3岁的时候,高斯的父亲经常需要外出干活。而干活的时候呢他总会带上自己的儿子高斯,给他计算建房所需的砖头和瓦片的数量。

虽然是个不到3岁的小孩,但高斯对世界充满了好奇心,尤其是在父亲给其他人算工资的时候,他总是悄悄地重新把父亲算的工资核对一遍。一天,父亲发工资给其他人的时候,高斯发现父亲算错了,并当众指出了错误。让在场的人大吃一惊,毕竟才不到3岁啊,但高斯的算术能力已经超越了他的父亲。

到了9岁,高斯的老师要学生们写出1-100的数字并求出它们的总和。高斯花了几秒钟算了一下,得出了正确答案,而其他小朋友花了很长时间却算错了。高斯的杰出数学能力让他的老师感叹不已,同时也觉得自己教不了高斯更多的知识了。于是给高斯买了几本好的数学书,高斯如获至宝,有空就看这两本书。

虽然高斯天资聪慧,但是由于家庭贫寒,高斯还是要自己赚取一些家用。晚上高斯需要吃一定量的亚麻丝,甚至需要劈柴,他的父亲无力承担他继续上学的费用,将来是打算让高斯也当泥水匠的,幸好后来老师找到高贵人士出资给高斯读书,从此顽固的父亲,在晚上不再要高斯干自己的活了,于是高斯经常和朋友挑灯夜读专攻数学。在11岁的时候,他已经能导出二项定理的一般展开式,并对无限级数的展开非常熟悉。这些内容,我们现在的高中才会学到,于是神童高斯在当地颇为闻名。而这位高贵人士正是当地的领主-布伦瑞克公爵,当时有习俗就是贵族或是有钱的商人会资助家境贫困的聪明子弟读书,以备将来他们用才之需。

1791年,布伦瑞克公爵引荐高斯,并决定当年6月起,决定给他10塔勒的薪酬,外加一些其他用费。塔勒是德国的旧银币,10塔勒几乎相当于一个成年人一个月的工资。高斯成了中产阶级,可以无忧无虑地进行学习,同时还获得了一些书本作为奖赏。其中有一本是对数表。

高斯常常使用它,还签上了自己的名字-Gauss1791,自从高斯得到公爵的年金后,他的父亲再也没有理由反对高斯升学。于是在1795年10月5日,高斯正式成为哥廷根大学数学系的学生。

哥廷根大学是英王乔治二世于1737年创办的,其办学模式仿照牛津大学和剑桥大学,比其他德国大学拥有更好的环境与条件,是一所妥妥的名校。而这时候,他有158塔勒的年工资,在收入上可以说是妥妥的中产以上了。

在哥廷根大学学习期间,高斯发表了不少数学理论。其中有一个让高斯特别满意的理论,就是利用尺规的正十七边形几何做法。这个理论在当时引起了轰动,高斯甚至想以后在自己的墓碑上也刻一个上去。然而,这个太为难当时的石匠了,因为正十七边形已经非常接近圆形,做工方法非常复杂,于是被石匠拒绝了。

有了钱和精湛的数学能力,高斯不小心踏上了他的天文学巅峰之路。18、19世纪是天文学发展最为迅速的一个时期,观测天文学在技术和仪器上都有长足的发展。太阳系的其他行星相继被发现。

1801年是高斯划时代的一年。以至于过后他回想起来,觉得有那么多科学真理涌现在他脑海中使他无法抵挡。什么样的灵感浮现在高斯的脑海中?在1801年的9月29日,一本叫做《天文月刊》的杂志刊登了一个关于谷神星的讯息,引起了高斯的兴趣。杂志上有一位叫皮亚奇的天文学家想知道这个奇特行星的轨道,因为谷神星从1801年的1月1日被发现以来,一直鬼鬼祟祟,轨道一直还是个谜。

皮亚奇对他前后观测了41天,却只有3天能观测得到。于是,高斯打算在这三天观测数据的基础上,用数学来找出谷神星的真实轨道,并做出下次出现时间与位置的预测。他心里想着肯定有一个椭圆轨道可以配适上比亚奇所记载的观测数值。结果高斯花了一个多月就把难倒其他天文学家大半年的问题给完美解决了。

于是高斯和其他天文学家一样,把结果发表在天文月刊上,并预测在1801年的12月31日至1802年的1月1日能再次看到谷神星。那个时候,众多天文学家不清楚高斯是哪里冒出来的黄毛小子,大家抱着将信将疑的想法,在12月31日对谷神星进行了观察,结果还真的发现了谷神星。天文学家为谷神星的再现狂喜不已,同时高斯的名声也通过这个事情传遍了全世界。大家从此认为他是世界一流的天文学家。

然而,大家还不知道,高斯在那个时候连望远镜等基本的天文学仪器都没有。他只是根据数学理论算出了谷神星的轨道而已。由于高斯没有望远镜,他在1802年1月18日写信给海因里希奥伯斯,询问他关于谷神星的观测结果。

奥伯斯是一位成功的医生兼杰出的业余天文学家,同时也是高斯的校友。当时,高斯和他并没有互相认识,但这次的联系成为了他们间友谊的开始。据说奥伯斯是个工作狂,每天的睡眠时间不超过4小时。白天他是医生,晚上10点过后,他会在家里屋顶上的观测站看天象,妥妥的007节奏。

当时德国的天文学家都很喜欢围绕在奥伯斯的身边,认为他是他们的原动力。从他的观测站,可能可以获得一些新的观测资料,如果凭借这些资料有新的发现,那么他们就可以名垂不朽了。

在1802年,奥伯斯在谷神星附近发现了一颗新星,叫做智神星。1804年,他又发现了一颗名为婚神星的行星。有了高斯这位传奇的天文学家,大家都找他来计算这些行星的轨道。这些小行星的轨道自然都是由高斯计算的。大家惊讶地发现,高斯一个小时就可以算出一个小行星的轨道,而用欧拉古老的法则则需要花上整整3天的时间。

后来,高斯出版了一本名为《天体之运动论》的书,这本书受到了热烈的追捧。形式上简洁,文笔优雅,处处充斥着高斯追求的完美性和独创性。加上当时常有新星出现,天文学家不得不借助他来计算星座的轨道,因此这本书出版后流传了40年之久,成为天文学家们必须精通的教科书。学者们对这本书的评价很高,世界各地的学会也纷纷征聘高斯为他们的会员。法国科学院更是在1810年赠送给他一枚高级天文学家奖章,这是法国科学院设立的奖项。

然而,由于当时法国的拿破仑到处与欧洲其他国家打仗,高斯所居住的地方也受到了牵连。高斯拒绝了这个奖项,后来科学院秘书动用关系,用奖金的一部分购买了一座天文摆钟,婉转地送给了高斯。他才接受了这个钟,钟放在高斯的房间里。

大学毕业后的1805年10月9日,高斯与他的第一任妻子约翰娜奥斯托夫结婚,两人青梅竹马,深深地相爱。他们的婚姻被认为是高斯一生中最幸福的时刻。然而,好景不长。在结婚后的四年里,约翰娜因难产去世,更不幸的是,她所生的小儿子小路易斯也在几个月后离世。这对高斯来说是巨大的打击。

高斯的好友奥伯斯收到了他写给他的一封信,信上泪迹斑斑,写道:“昨夜8点,我盖上了我的天使的双眼,在那里,五年来,我寻觅到我的天国。”尽管一年后高斯与另外一位女士结婚,但从此,他变得越来越固执、抑郁和极端的完美主义。

高斯对待自己的孩子也变得异常严格。特别是对他的第三个孩子,名叫尤金,他在数学和语文方面继承了父亲的能力。尤金本想上大学学习语言学,但高斯认为这方面自己很有成就,担心尤金会在这些方面给自己蒙羞,于是强迫他学习法律。尤金各种抗议无效,最终独身一人跑到美国谋生,幸运的是,他通过自己的能力与勤奋成为了一名成功的商人,但从此断绝了与父亲高斯的联系。

尽管家庭不幸,高斯在数学上仍然高产。他发表了许多重要的理论,其中包括著名的高斯分布(又称常态分布)。这个分布在学生的成绩分布、人类身高等方面都有广泛应用。现在的人工智能也经常使用高斯分布作为初始状态,例如在AI生成图像中的应用。

晚年的高斯沉迷于中产阶级的生活,写下了许多数学著作。虽然他收获了不少荣誉,但对教学反而更有兴趣。他的学生中有黎曼、爱森斯坦等数学大师,甚至把爱森斯坦当成自己的儿子来对待。

1855年2月23日,高斯在睡梦中安详去世,享年77岁。他留下了大量的数学手稿,这些手稿在后来被整理时,让人感叹如果能及时发表,数学界或许能够更快地前进50年。

数学的神奇之处令人感叹,而高斯的一生也是数学历史中的传奇

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朝宗惊鸣

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