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科学精神:数学传奇——科学家总督,傅里叶

发布日期:2024-10-18    作者:         点击:

1895年,一位德国哲学家在泰晤士河旁的寓所中离世,后人在整理他的手稿时发现了一篇名为《自然辩证法》的文章。哲学家在其中留下了如下一段札记:“傅里叶是一首数学的诗。”

我们通常叫这位哲学家恩格斯,而被他如此称赞的正是法国数学家傅里叶。

童年

数学传奇——科学家总督:傅里叶

傅里叶画像

1768321日,让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶生于法国奥塞尔小镇。这个小镇实在小得离谱,直到2009年,奥塞尔居民还不满一千,相比起来梵蒂冈真是泱泱大国。

傅里叶的父亲是镇上的裁缝。不幸的是,傅里叶8岁便双亲亡故,他被交给教会抚养。由于法国处在特殊的历史时期,教会秉着不养闲人的观点,大仁大爱的天主教本笃会把傅里叶送往镇上的军校,看来傅里叶是别想立地成佛了。

傅里叶在军校读书时表现出对数学的特殊爱好,经常在月黑风高、夜深人静时潜入自习室解数学问题。

顺理成章的,傅里叶树下光明的理想,立志于一个在法国极有前途的职业——炮兵,却被当局拒绝。据传他的申请书上写着:“傅里叶,出身不高贵,不得加入炮兵,虽然他是第二个牛顿。”

傅里叶只好换个职业生涯规划,希望能当上一个教士。幸好军校给了他数学教授的职位,不然傅里叶得在修道院种豌豆、数豌豆,世上就少一位杰出的数学家了。有了教授的职位,傅里叶得以去巴黎进行研究。

1789年,巴黎出现了小波动,热心的市民攻占了巴士底狱。傅里叶的研究计划中断,他回到母校执教。可能是回忆起被军队拒绝的场景,傅里叶也积极投身到法国大革命中。

不幸的是,因为给旁人说情,傅里叶被投入监狱。出狱后,傅里叶曾短暂的到巴黎师范学校学习,他展示出的数学才华给人留下了深刻印象。并因此被招进巴黎综合工科学校担任助教,帮助蒙日和拉格朗日进行数学教学。

在人间

1795年,巴黎综合工科学校成立,现在一般叫巴黎综合理工学院。学校建立的初衷是教授学生数学原理,以便更出色地完成火炮发射之类的社会实践。但校长蒙日认为,数学太重要了,不算清楚炮弹轨迹怎么打得准呢?于是一大批数学家被招进学校,傅里叶就在其中。

蒙日招数学家的行为实在是功德无量。之前的几个世纪中,数学不太像一个专门的学科,它被认为是解决天文学和力学的工具。倒是一些闲得发慌的贵族团体在消遣时来研究它。而在巴黎综合工科学校,数学家集体诞生了。

数学家一多,数学应用的方向也变多了,研究星星的和研究炮弹的互相看不上,干脆分开。顺带的,没人疼的专门研究理论的数学也分开了。 “纯粹”数学和应用数学的划分就这样发生了。

说到蒙日,这可不是一般人,他在几何方面有极大贡献。闲来无事也发展发展副业,曾经当过法国海军部长。他在任时礼贤下士,曾热情款待过一位不得宠的年轻炮兵军官——拿破仑。

身为炮兵专家,拿皇极其热爱科学特别是数学。他曾跟人说:“数学的发展与完成,与国家的繁荣与富强有着密切的关系。”1804年时,拿破仑在战神广场大阅三军,授予巴黎综合工科学校一面旗帜,上面写着:“为了祖国的科学和荣誉”。1814年,俄罗斯和普鲁士的联军抵达巴黎,全校师生群情激愤,要求参加首都保卫战。拿破仑拒绝了他们,留下名言:“我不愿为取鸡蛋杀掉我的老母鸡。”

可能傅里叶跟蒙日提到过自己炮兵的梦想,1798年,老母鸡蒙日推荐傅里叶与自己一道,和拿破仑麾下的士兵观光团一起远游埃及。

一起同行的有一百多名学者,其中包括21位数学家。在埃及行军时,队伍经常遭到埃及土著袭击。为了保护这些学者,拿破仑下令:“让驴子和学者走在队伍中间”。在经历了地中海风暴行和埃及驴友徒步活动后,傅里叶到达了开罗。

蒙日在埃及筹建了埃及研究院,并且亲自担任院长,傅里叶则担任埃及研究院秘书并进行外交活动,不久之后还当了个芝麻官——下埃及总督,管理开罗以北的尼罗河三角洲区域。

1801年,傅里叶回到法国。起初他想继续在巴黎综合工科学校执教。但拿皇极为赏识他的行政才能,任命他为格勒诺布尔的高级官员。傅里叶在任期间提高民众文化水平,还开拓道路、填平沼池,反正苏东坡在杭州干啥他干啥。1808年,傅里叶被拿皇授予男爵称号。

可能是因为民族的劣根性,在拿破仑失败后,1812年,傅里叶迅速地向路易十八效忠。1815年,至高无上的皇帝陛下抵达他那他忠诚的巴黎后,傅里叶又重新效忠拿破仑。拿破仑感动得那叫一个热泪盈眶,握着傅里叶的手,“我的老朋友啊,希望得到你的再次协助……”。

只可惜,百日王朝后,傅里叶又向路易十八效忠,法国小吕布了属于是。路易十八可没有拿破仑那样大度,直接把傅里叶流放。可能是因为流放地没有土豆挖,傅里叶差点没被饿死。幸好他之前的学生拉了一把,傅里叶得到一个统计员的职务,闲来无事就研究研究数学。因为在统计局工作,他得到了关于概率和误差的一点成果。

1816年,傅里叶被提名为法国科学院成员。路易十八看见这提名就来气:一个被流放的乱臣贼子,怎么又想来吃皇粮了?法兰西科学院院士泊松也全力反对。多亏了法兰西学院院长拉普拉斯,傅里叶最终在第二年成为科学院成员,又在1822年得到科学院终身秘书的职位。1826年又被选为法兰西学院院士,随即又被英国皇家学会选为外国会员,1829年获得彼得堡科学院名誉院士。

我的大学

傅里叶之所以能够被选为院士,主要是因为他在热传导方面的突出贡献。但众所周知,傅里叶级数才是傅里叶留下来的最出名的东西。下面就来说一下啥是热传导,啥是傅里叶级数。

傅里叶那个年代,距离牛顿有一阵子了。人们发现牛老爷子的力学理论可以解释绝大部分现象,比如天文学、光学、声学之类的。尽管有些解释后来发现不太正确,但无所谓嘛,至少有了一个解释。唯独对热现象没有一个好的解释。

热现象,顾名思义,就是和温度相关的一大堆东西。

当然了,牛老爷子确实牛,他虽然没给出热现象的底层架构,却还是有一番收获。牛顿创制了一种用于实验观察的温度计,还给了一个关于物体怎么降温的定律。

但是我们知道,即使是一个物体,它各个地方的温度都可以不一样,那物体内部的热量是怎么传递的。特别是对液体,它不仅有热量的交换,还有物质的交换。不管咋的,热量的交换就是我们所说的热传导问题。

热传导问题在当时是一个大事。地球本身温度就不均匀。地球内部的温度非常高,当时人认为这个温度是地球动力的来源。那万一哪天地球内部的热量全部跑出来咋办?地球自个儿不就不转了吗?为了守护爱与和平,必须有人出来告诉大家,这种事儿不会发生。

这是,傅里叶挺身而出。可能因为埃及特殊的区位优势,傅里叶在开罗时就对热传导问题产生了浓厚兴趣。

兴趣归兴趣,在埃及,傅里叶还是总督大人,可没有这么多时间去研究热传导。回到格勒诺布尔后,他才全身心地投入热理论的研究中。

1807年,傅里叶向科学院提交论文《关于热传导的研究报告》,内容是关于不连续的物质和特殊形状的连续体的热传导问题。审阅论文的蒙日和拉普拉斯看了连竖大拇指。但拉格朗日不这么想,他找来傅里叶,问他,“小傅,你咋用三角函数的级数来表示物体初始温度啊?”

三角函数大家可以回去翻翻小学体育课本儿,在图像里大概就是这种东西。只需要知道它是周期性变化的就可以了。三角函数的级数就是无数个三角函数加在一块儿。

傅里叶在论文里说,有限物体的温度分布可以用三角函数的级数来表示。从数学上看,就是有限区间上的任意一个性质还比较好的函数都可以表示成某些三角函数和的形式。

方波函数的傅里叶级数前四项

 

拉格朗日一瞧,有问题,我之前研究过,不能这样干。就打回了傅里叶的论文。

还是蒙日和拉普拉斯慧眼识珠,给傅里叶写信说:

“傅里叶同志提出的《关于热传导的研究报告》的论文已收悉。现将有关问题答复如下:

委员会高度评价傅里叶同志对热传导问题的解答。根据论文审核委员会的有关规定和要求,请傅里叶本着科学性、严谨性的原则,认真研究关于三角函数级数的有关事宜。委员会将于1810年开展对热传导的专项问题讨论,对有关研究成果进行物质嘉奖。”让傅里叶把自己的理论弄得严谨些。

傅里叶一看,有门儿。1810年的时候就把修改好的论文发给法国科学院,修改的内容甚至包括把有限区间变成了无限区间。在拉普拉斯等人的评审后,傅里叶的论文无可挑剔的拿了奖金。拉格朗日一看,这不对吧,小傅你给我玩儿阴的是吧。坚决不让傅里叶的论文发表。

傅里叶这下真生气了,此地不留爷,自有留爷处。处处不留爷,爷去搞级数。他把自己对热传导的看法给相对完善了、出书了。

1822年,科学史上不朽的杰作《热的解析理论》出版了。它解决了热理论的所有基本问题,并且为三角级数理论建立了牢固的数学基础。函数表示成三角级数的过程就是现在所称的傅里叶展开,而那个级数就是傅里叶级数。

其实在政治之外,傅里叶一生正直,他帮助过许多年轻科学家,包括玩指南针的奥斯特,狄利克雷和可怜的阿贝尔。只是当更可怜的伽罗瓦把群论论文寄给他时,傅里叶已经病重,伽罗瓦论文的手稿就此丢失。

除此之外,傅里叶还有许多成就。1796年,傅里叶发现了寻找一个方程在某个范围内寻找解的个数的方法。傅里叶还发明了定积分符号。

傅里叶致力于方程的研究,计划写一本七卷的《方程判定之分析》,可是才完成两卷。1830516日,傅里叶在巴黎去世。

关于他的故去有一个传说。傅里叶发现热的基础理论后,认为热太奇妙了,如此简单又如此复杂。蒸汽驱动机器,血液滋养生命,热风将人送上云端,热火将铁化成流水。他迷上了热,他认为热包治百病,比百年老中医还灵。当傅里叶生病时,他把自己关在房间里,升起一堆炉火,不知道是因为一氧化碳中毒还是别的原因,他的病情大大加重,不久便离开了人世。

傅立叶一生的科学研究讲求从社会实际效益出发,信奉科学的目的主要不在于知识的进步,而是在于人类生活的改善。为此,他呼吁去研究和自然现象相关的数学,他说:“对自然界的深入研究乃是数学发现的最富成果的源泉”。

傅里叶对热的研究成果正如他所期待的那样,在各个领域都发挥着无可替代的作用。欧姆因为热传导想到电传导,用热效应的方法实验,得到了欧姆定律。泊松用傅里叶级数研究弹性理论。电话、电视、海啸预测等等都离不开傅里叶级数。

傅里叶级数将函数转化为优雅的三角函数的和,理论严密工整,不愧是数学的诗篇。

傅里叶去世后,他的家乡奥塞尔为他树立了一座青铜塑像,还以他的名字命名了一所学校。1889年,人们把傅里叶的名字刻在了埃菲尔铁塔的基座上。带着巴黎的热风,铁塔无言。

 

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