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科學家的故事

比上帝還挑剔的人——泡利的故事 奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli)生於1900年,1958年就去世了。他是本世紀初壹位罕見的天才,對相對論及量子力學都有傑出貢獻,因發現“泡利不相容原理”(Exclusion Principle)而獲1945年諾貝爾物理學獎。這個原理是他在1924年發現的,對原子結構的建立與對微觀世界的認識有革命性的影響。

泡利在19歲(1919年)時就寫了壹篇關於廣義相對論理論和實驗結果的總結性論文。當時距愛因斯坦發表“廣義相對論”(1916年)才3年,人們認為他這麽年輕卻有如此獨到的見解,所以震驚了整個物理學界,從此他壹舉成名了。

關於泡利的故事很多,他以嚴謹、博學而著稱,同時也以尖刻和愛挑刺而聞名。據說在壹次國際會議上泡利見到了愛因斯坦,愛因斯坦演講完後,泡利站起來說:“我覺得愛因斯坦不完全是愚蠢的”。

壹次,在後來發現反質子的意大利物理學家塞格雷做完壹個報告和泡利等離開會議室時,泡利對他說:“我從來沒有聽過象妳這麽糟糕的報告。”當時塞格雷壹言未發。泡利想了壹想,又回過頭對與他們同行的瑞士物理化學家布瑞斯徹說:“如果是妳做報告的話,情況會更加糟糕。當然,妳上次在蘇黎士的開幕式報告除外。”

另壹次泡利想去壹個地方,但不知道該怎麽走,壹位同事告訴了他。後來這位同事問他,那天找到那個地方沒有,他反而諷刺人家說:“在不談論物理學時,妳的思路應該說是清楚的。”

泡利對他的學生也很不客氣,有壹次壹位學生寫了論文請泡利看,過了兩天學生問泡利的意見,泡利把論文還給他說:“連錯誤都夠不上。”

但泡利被玻爾稱作“物理學的良知”,因為他的敏銳和審慎挑剔,使他具有壹眼就能發現錯誤的能力。在物理學界還曾笑談存在壹種“泡利效應”--當泡利在哪裏出現時,那兒的人不管做理論推導還是實驗操作壹定會出岔子。

而當泡利說:“哦,這竟然沒什麽錯”時,通常表示壹種非常高的贊許。壹則笑話說,泡利死後去見上帝,上帝把自己對世界的設計方案給他看,泡利看完後聳聳肩,說道:“妳本來可以做得更好些……”

蘇步青的故事

著名的數學大師蘇步青,自1931年3月應著名數學家陳建功之約,載著日本東北帝國大學的理學博士榮譽回國,受聘於國立浙江大學,先後任數學系副教授、教授、系主任、訓導長和教務長。至1952年10月,因全國高校院系調整,他才有點不太情願地到了上海復旦大學數學系任教授、系主任,後任教務長、副校長和校長。他曾任多屆全國政協委員、全國人大代表,以及第七、第八屆全國政協副主席和民盟中央副主席等職。

回望蘇步青的百年人生路,也是崎嶇泥濘,故事多多,今選幾則以慰讀者。

故事壹

公元1902年9月23日,那是壹個普通的日子,可對祖輩從福建同安逃荒到浙江平陽帶溪村的蘇祖善家來說,那是壹件難得的大喜、大吉的日子。真是老天有眼,天官賜福。蘇祖善家添了壹丁,夫妻倆笑得合不攏嘴,終於有了世代務農的“接班人”。可蘇祖善夫妻倆從未上過學,嘗夠沒有文化的苦,望子成龍心切,於是給兒子選取“步青”為名,算命先生還說上壹番好話,以“步青”為名,將來定可“平步青雲,光宗耀祖”。

名字畢竟不是“功名利祿”的天梯。正當同齡人紛紛背起書包上學的時候,蘇祖善交給兒子的卻是壹條牛鞭。從此,蘇步青頭戴壹頂父親編的大竹笠,身穿壹套母親手縫的粗布衣,赤腳騎上牛背,鞭子壹揮,來到臥牛山下,帶溪溪邊。蘇步青家養的是頭大水牛,膘壯力大,從不把又矮又小的牧牛娃放在眼裏。有壹次,水牛脾氣壹上來,又奔又跳,把蘇步青摔在剛剛砍過竹的竹園裏。真是老天庇佑,他跌在幾根竹根中間,未有皮肉之苦,逃過壹劫。

放牛回家,蘇步青走過村私塾門口,常被瑯瑯的書聲所吸引。有壹次,老師正大聲念:“蘇老泉,二十七,始發憤,讀書籍。”他聽後,就跟著念了幾遍。此後,他竟記住了順口溜,放牛時當山歌唱。

蘇祖善常聽兒子背《三字經》、《百家姓》,心存疑惑。有壹次,正好看見兒子在私塾門口“偷聽”,為父的心終於動了,夫妻壹合計,決定勒緊褲帶,把蘇步青送進了私塾。

故事二

9歲那年,蘇步青的父親挑上壹擔米當學費,走了50公裏山路,送蘇步青到平陽縣城,當了壹名高小的插班生。從山裏到縣城,蘇步青大開眼界,什麽東西都新奇。他第壹次看到饅頭裏有肉末,常用飯票換成錢買“肉饅頭”吃。壹個月的飯票提早用完了,只好餓肚子。他見到燒開水的老虎竈,也覺得好玩,把家裏帶來的雞蛋擲進鍋裏,壹鍋開水變成壹鍋蛋花湯,燒水工看到氣極了,揪住他打了壹頓。

蘇步青整天玩呀、鬧呀,考試時常坐“紅交椅”,到期末考試,他在班裏得了倒數第壹名。可是,他的作文寫得還不錯,私塾裏的“偷聽”,激發了他學習語文的興趣,為作文打了壹點基礎。然而,語文老師越看越不相信,總認為蘇步青的作文是抄來的。因此還是批給他壹個很低的分數。這樣,更激發了他的牛脾氣,老師越說他不好,他越不好好學,壹連三個學期,都是倒數第壹名。同學和老師都說他是“笨蛋”。

有壹次,地理老師陳玉峰把蘇步青叫到辦公室,給他講壹個小故事:“牛頓12歲的時候,從農村小學轉到城裏念書,成績不好,同學們都瞧不起他。有壹次,壹個同學蠻橫無理地欺負他,壹腳踢在他的肚子上。他疼得直打滾。那個同學身體比他棒,功課比他好,牛頓平時很怕他。但這時他忍無可忍,跳起來還擊,把那個同學逼到墻角,撳在墻上。那同學見牛頓發起怒來如此勇猛,只好屈服。牛頓從這件事想到做學問的道理也不過如此:只要下定決心,就能把它制服。他發憤圖強,努力學習,不久成績躍居全班第壹,後來成了壹個偉大的科學家。”

蘇步青見陳老師不批評他,還給他講故事,心裏很感激。陳老師見他垂著頭,摸摸他的頭後說:“我看妳這個孩子挺聰明嘛,只要肯努力,壹定可以考第壹名。”又說:“妳爸爸、媽媽累死累活,省吃儉用,希望妳把書念好。像妳現在這樣子,將來拿什麽來報答他們?”蘇步青再也抑制不住心靈的震撼,淚水像斷線的珍珠淌在自已的胸前,第壹次感到自己做錯了事。此後,他完全變成了懂事的孩子,不再貪玩,刻苦讀書,到期末考試得了全班第壹名。

故事三

溫州的浙江省立第10中學的壹堂數學課,把蘇步青引向通往數學王國的路。從日本留學回溫州的楊老師在上數學課時,帶著憂國憂民的真情:“當今世界,弱肉強食。世界列強仰仗船堅炮利,對我國豆剖瓜分,鯨吞蠶食。中華民族亡國滅種的危險迫在眉睫。為了救亡圖存,必須振興科學。數學是科學的開路先鋒,為了發展科學,必須學習好數學。”楊老師的話,打動了蘇步青的心。從此,他的興趣從文學向數學轉移。有壹次,蘇步青用20種不同的方法證明了壹條幾何定理。校長洪泯初得知後,把蘇步青叫到辦公室,拍著他的肩膀說:“好好學習,將來送妳留學。”到蘇步青中學畢業時,洪校長已調到北京教育部任職,但他仍關心蘇步青的學習,寄來了200元資助蘇步青留學。

1919年,17歲的蘇步青買了壹張去日本的船票,余170元錢要維持3個月的生活,實在很艱難。他每天只能吃兩餐飯,無錢請日語老師,只好拜房東大娘為師。最後他用流利的日語回答了主考官的提問,以第壹名的成績進入名牌學校——東京高等工業學校電機系。1924年,他又以第壹名的成績考入日本東北帝國大學數學系,師從著名幾何學家窪田忠彥教授。1927年,大學畢業後,他又在課余賣報、送牛奶、當雜誌校對和家庭老師,用所掙得的錢做學費,免試升入該校研究生院做研究生。並以堅強的意誌,刻苦攻讀,接連發表了41篇仿射微分幾何和射影微分幾何方面的研究論文,開辟了微分幾何研究的新領域,被數學界稱作“東方國度上升起的燦爛的數學明星”。1931年3月,他以優異的成績榮獲該校理學博士學位,成了繼陳建功之後獲得本學位的第二個外國人。此後,國內外的聘書像雪片似的飛來,蘇步青壹壹謝絕。因為兩年前陳建功獲理學博士位時,曾約蘇步青到條件較差的浙大去。蘇步青說:“妳先去,我畢業後再來。讓我們花上20年時間,把浙大數學系辦成世界第壹流的數學系……”這興許就是蘇步青在全國高校院系調整時不願離開浙大的情緣。

走上工作崗位後,蘇步青在科研和教學上取得了令世人嘆服的光輝業績,除做研究生時發現的四次(三階)代數錐面,被學術界譽稱為“蘇錐面”外,後在“射影曲線論”、“射影曲面論”、“高維射影空間***軛網理論”、“壹般空間微分幾何學”和“計算幾何”等方面都取得世界同行公認的成就,特別在著名的戈德序列中的第二個伴隨二次曲面被國內外同行稱為“蘇的二次曲面”。他還證明了閉拉普拉斯序列和構造(T4),被世界學術界譽稱為“蘇(步青)鏈”。因此,德國著名數學家布拉須凱稱蘇步青是“東方第壹個幾何學家”,歐美、日本的數學家稱他和同事們為“浙大學派”。的確,自1931年到1952年間,蘇步青培養了近100名學生,在國內10多所著名高校中任正副系主任的就有25位,有5人被選為中國科學院院士,連解放後培養的3名院士,***有8名院士學生。在復旦數學研究所,蘇步青更有谷超豪、胡和生和李大潛高足,形成了三代四位院士***事的罕見可喜現象。

故事四

“七七”事變後,浙江大學被迫西遷。在這國難當頭,舉校西遷時,蘇步青接到壹封加急電報:嶽父松本先生病危,要蘇步青夫婦去日本仙臺見最後壹面。蘇步青把電報交給妻子說:“……妳去吧,我要留在自己的祖國。”蘇步青妻子蘇松本說:“我跟著妳走。”但因妻子剛分娩不久,不能隨行內遷,蘇步青把妻子送平陽鄉下避難,直到1940年暑假,由竺可楨校長特批壹筆路費,才將妻子和女兒接到湄潭。

在湄潭的日子裏,師生的生活極其艱苦,大學教授靠工資也難以糊口。蘇步青買了壹把鋤頭,每天下班回家或休息日,就開荒種菜,有壹次,湄潭菜館蔬菜館供應不上,就從蘇步青菜地裏要去幾筐花菜。還有壹天傍晚,竺校長來到他住的破廟前,看見蘇步青正挑水種菜,蘇松本背著兒子燒飯。細心的竺校長見鍋裏全是蘿蔔、地瓜幹,就問蘇步青。蘇步青解釋說:“我家孩子多,薪水全拿來買米也不夠吃。地瓜幹蘸鹽巴,我們已吃了幾個月了。”竺可楨驚愕了。於是,他特許蘇步青兩個讀中學的兒子,破例吃在中學、住在家裏(因為蘇家拿不出被褥)的特殊待遇。

生活上的困難每況愈下,蘇步青的壹個小兒子因營養不良,出世不久就死去了。蘇步青把他埋在湄潭的山上,在小石碑上刻著“蘇嬰之冢”幾個字。然而,生活上的困難嚇不倒有意誌、有毅力的人,浙大的教學和科研依然有條不紊地進行。蘇步青也是帶著困難走上講臺的。當他回身在黑板上畫幾何圖形時,學生們就會議論蘇老師衣服上的“三角形、梯形……”的補丁,還有屁股上的“螺旋形曲線”!晚上,蘇步青把桐油燈放在破廟的香案上寫教材,終於用自己堅忍不拔的意誌完成了《射影曲線概論》壹書。1994年夏,筆者有幸在青巖看到蘇步青遷徙途中住過的小廟,壹種崇敬之情油然而生,令人難以忘懷。

故事五

1972年12月7日,蘇步青的學生、著名數學家張素誠,因《數學學報》復刊之需,拜訪各地數學家,到上海理應拜訪蘇老師,沒想到蘇老所賜的《射影幾何概論》(英文版)壹書上,別開生面在扉頁題了壹首詩:

三十年前在貴州,

曾因奇異點生愁,

如今老去申江日,

喜見故人爭上遊。

這不僅打破常人的題詞俗話,把師生之情和盤托出,又足可看出蘇老詩藝的高超,文學功底的深厚了。

許多人都知道蘇步青是數學大師,卻不知道他還是位文學大師,寫作大家和詩人。他從小酷愛古詩文,13歲學寫詩。讀初小時常騎在牛背上誦讀《千家詩》等。幾十年來,他與詩為伴,與詩書同行,每次出差,提包裏總放壹二本詩集,如《杜甫詩選》等。蘇步青不僅讀詩,更有作詩興趣,幾十年筆耕不輟,寫了近千首詩作。在他96歲高齡時,北京群言出版社出版了《蘇步青業余詩詞鈔》,***收近體詩444首,詞60首,由蘇老手寫影印,其中1931~1949年早期作品191首,內有詞47首。從中我們可以領略蘇老60年間的學術生涯和詩書技藝折射的光芒,富有時代氣息,給人以諸多的啟迪。

回想浙江大學內遷湄潭時期,他和數學大師錢寶琮等創設湄潭吟社,在生活極度困難下,自費出版了《湄潭吟社詩存第壹輯》,內收各家詩詞約100首。在國難當頭日子裏,詩人們品茶吟詩,或切磋教義,或評論時局,其憂國思鄉,憤世嫉俗之情常流露於筆端。

1944年,蘇步青以“遊七七亭”為詩題作壹詩:

單衣攀路徑,壹杖過燈汀。

護路雙雙樹,臨江七七亭。

客因遠遊老,山是故鄉青。

北望能無淚,中原戰血腥。

這是蘇步表以物寄情,對家鄉淪陷和祖國山河破碎的懷念和人民奮起抗戰的歌頌,愛國憂世之情自心中汩汩流出。

蘇步青的詩藝高超,令人嘆為觀止。他的詩意境高遠,筆調清新,常用典故,富有哲理。

讀了蘇步青的許多詩,不僅使人感到蘇老常對後學諄諄教導“金字塔”般基礎之重要,文理相通之亮點。他幾十年如壹日,巧用自稱“零頭布”(零碎時間)來學習和研究,這些永留人間的好詩詞,不就是蘇步青充分利用零碎時間的佐證嗎?

數學天才——萊布尼茲

萊布尼茲(Gottfriend Wilhelm Leibniz,1646-1716)是17、18世紀之交德國最重要的數學家、物理學家和哲學家,壹個舉世罕見的科學天才。他博覽群書,涉獵百科,對豐富人類的科學知識寶庫做出了不可磨滅的貢獻。

壹、生平事跡

萊布尼茲出生於德國東部萊比錫的壹個書香之家,父親是萊比錫大學的道德哲學教授,母親出生在壹個教授家庭。萊布尼茲的父親在他年僅6歲時便去世了,給他留下了豐富的藏書。萊布尼茲因此得以廣泛接觸古希臘羅馬文化,閱讀了許多著名學者的著作,由此而獲得了堅實的文化功底和明確的學術目標。15歲時,他進了萊比錫大學學習法律,壹進校便跟上了大學二年級標準的人文學科的課程,還廣泛閱讀了培根、開普勒、伽利略、等人的著作,並對他們的著述進行深入的思考和評價。在聽了教授講授歐幾裏德的《幾何原本》的課程後,萊布尼茲對數學產生了濃厚的興趣。17歲時他在耶拿大學學習了短時期的數學,並獲得了哲學碩士學位。

20歲時,萊布尼茲轉入阿爾特道夫大學。這壹年,他發表了第壹篇數學論文《論組合的藝術》。這是壹篇關於數理邏輯的文章,其基本思想是出於想把理論的真理性論證歸結於壹種計算的結果。這篇論文雖不夠成熟,但卻閃耀著創新的智慧和數學才華。萊布尼茲在阿爾特道夫大學獲得博士學位後便投身外交界。從1671年開始,他利用外交活動開拓了與外界的廣泛聯系,尤以通信作為他獲取外界信息、與人進行思想交流的壹種主要方式。在出訪巴黎時,萊布尼茲深受帕斯卡事跡的鼓舞,決心鉆研高等數學,並研究了笛卡兒、費爾馬、帕斯卡等人的著作。1673年,萊布尼茲被推薦為英國皇家學會會員。此時,他的興趣已明顯地朝向了數學和自然科學,開始了對無窮小算法的研究,獨立地創立了微積分的基本概念與算法,和牛頓並蒂雙輝***同奠定了微積分學。1676年,他到漢諾威公爵府擔任法律顧問兼圖書館館長。1700年被選為巴黎科學院院士,促成建立了柏林科學院並任首任院長。

1716年11月14日,萊布尼茲在漢諾威逝世,終年70歲。

二、始創微積分

17世紀下半葉,歐洲科學技術迅猛發展,由於生產力的提高和社會各方面的迫切需要,經各國科學家的努力與歷史的積累,建立在函數與極限概念基礎上的微積分理論應運而生了。微積分思想,最早可以追溯到希臘由阿基米德等人提出的計算面積和體積的方法。1665年牛頓創始了微積分,萊布尼茲在1673~1676年間也發表了微積分思想的論著。以前,微分和積分作為兩種數學運算、兩類數學問題,是分別的加以研究的。卡瓦列裏、巴羅、沃利斯等人得到了壹系列求面積(積分)、求切線斜率(導數)的重要結果,但這些結果都是孤立的,不連貫的。只有萊布尼茲和牛頓將積分和微分真正溝通起來,明確地找到了兩者內在的直接聯系:微分和積分是互逆的兩種運算。而這是微積分建立的關鍵所在。只有確立了這壹基本關系,才能在此基礎上構建系統的微積分學。並從對各種函數的微分和求積公式中,總結出***同的算法程序,使微積分方法普遍化,發展成用符號表示的微積分運算法則。因此,微積分“是牛頓和萊布尼茲大體上完成的,但不是由他們發明的”(恩格斯:《自然辯證法》)。

然而關於微積分創立的優先權,數學上曾掀起了壹場激烈的爭論。實際上,牛頓在微積分方面的研究雖早於萊布尼茲,但萊布尼茲成果的發表則早於牛頓。萊布尼茲在1684年10月發表的《教師學報》上的論文,“壹種求極大極小的奇妙類型的計算”,在數學史上被認為是最早發表的微積分文獻。牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》的第壹版和第二版也寫道:“十年前在我和最傑出的幾何學家G、W萊布尼茲的通信中,我表明我已經知道確定極大值和極小值的方法、作切線的方法以及類似的方法,但我在交換的信件中隱瞞了這方法,……這位最卓越的科學家在回信中寫道,他也發現了壹種同樣的方法。他並訴述了他的方法,它與我的方法幾乎沒有什麽不同,除了他的措詞和符號而外。”(但在第三版及以後再版時,這段話被刪掉了。)因此,後來人們公認牛頓和萊布尼茲是各自獨立地創建微積分的。牛頓從物理學出發,運用集合方法研究微積分,其應用上更多地結合了運動學,造詣高於萊布尼茲。萊布尼茲則從幾何問題出發,運用分析學方法引進微積分概念、得出運算法則,其數學的嚴密性與系統性是牛頓所不及的。萊布尼茲認識到好的數學符號能節省思維勞動,運用符號的技巧是數學成功的關鍵之壹。因此,他發明了壹套適用的符號系統,如,引入dx 表示x的微分,∫表示積分,dnx表示n階微分等等。這些符號進壹步促進了微積分學的發展。1713年,萊布尼茲發表了《微積分的歷史和起源》壹文,總結了自己創立微積分學的思路,說明了自己成就的獨立性。

三、高等數學上的眾多成就

萊布尼茲在數學方面的成就是巨大的,他的研究及成果滲透到高等數學的許多領域。他的壹系列重要數學理論的提出,為後來的數學理論奠定了基礎。

萊布尼茲曾討論過負數和復數的性質,得出復數的對數並不存在,***扼復數的和是實數的結論。在後來的研究中,萊布尼茲證明了自己結論是正確的。他還對線性方程組進行研究,對消元法從理論上進行了探討,並首先引入了行列式的概念,提出行列式的某些理論。此外,萊布尼茲還創立了符號邏輯學的基本概念,發明了能夠進行加、減、乘、除及開方運算的計算機和二進制,為計算機的現代發展奠定了堅實的基礎。

四、豐碩的物理學成果

萊布尼茲的物理學成就也是非凡的。他發表了《物理學新假說》,提出了具體運動原理和抽象運動原理,認為運動著的物體,不論多麽渺小,他將帶著處於完全靜止狀態的物體的部分壹起運動。他還對笛卡兒提出的動量守恒原理進行了認真的探討,提出了能量守恒原理的雛型,並在《教師學報》上發表了“關於笛卡兒和其他人在自然定律方面的顯著錯誤的簡短證明”,提出了運動的量的問題,證明了動量不能作為運動的度量單位,並引入動能概念,第壹次認為動能守恒是壹個普通的物理原理。他又充分地證明了“永動機是不可能”的觀點。他也反對牛頓的絕對時空觀,認為“沒有物質也就沒有空見,空間本身不是絕對的實在性”,“空間和物質的區別就象時間和運動的區別壹樣,可是這些東西雖有區別,卻是不可分離的”。在光學方面,萊布尼茲也有所建樹,他利用微積分中的求極值方法,推導出了折射定律,並嘗試用求極值的方法解釋光學基本定律。可以說萊布尼茲的物理學研究壹直是朝著為物理學建立壹個類似歐氏幾何的公理系統的目標前進的。

五、中西文化交流之倡導者

萊布尼茲對中國、的科學、文化和哲學思想十分關註,是最早研究中國文化和中國哲學的德國人。他向耶酥會來華傳教士格裏馬爾迪了解到了許多有關中國的情況,包括養蠶紡織、造紙印染、冶金礦產、天文地理、數學文字等等,並將這些資料編輯成冊出版。他認為中西相互之間應建立壹種交流認識的新型關系。在《中國近況》壹書的緒論中,萊布尼茲寫道:“全人類最偉大的文化和最發達的文明仿佛今天匯集在我們大陸的兩端,即匯集在歐洲和位於地球另壹端的東方的歐洲——中國。”“中國這壹文明古國與歐洲相比,面積相當,但人口數量則已超過。”“在日常生活以及經驗地應付自然的技能方面,我們是不分伯仲的。我們雙方各自都具備通過相互交流使對方受益的技能。在思考的縝密和理性的思辯方面,顯然我們要略勝壹籌”,但“在時間哲學,即在生活與人類實際方面的倫理以及治國學說方面,我們實在是相形見拙了。”在這裏,萊布尼茲不僅顯示出了不帶“歐洲中心論”色彩的虛心好學精神,而且為中西文化雙向交流描繪了宏偉的藍圖,極力推動這種交流向縱深發展,是東西方人民相互學習,取長補短,***同繁榮進步。

萊布尼茲為促進中西文化交流做出了畢生的努力,產生了廣泛而深遠的影響。他的虛心好學、對中國文化平等相待,不含“歐洲中心論”偏見的精神尤為難能可貴,值得後世永遠敬仰、效仿。

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