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第89章 人一生不可不知的自然科学名著(3)

欧几里得(大约生活在公元前300年),是希腊伟大的数学家,也是亚历山大学派前期的三大数学家之一。欧几里得早年在雅典的柏拉图学园受过良好教育,专攻希腊古典数学和其他科学文化。经过长时间的努力和刻苦钻研,在公元前300年左右,欧几里得终于崭露头角。其后,应统治埃及的托勒密国王的邀请,欧几里得客居亚历山大城,开始从事数学领域的工作。由于希腊后期失去了独立性,导致雅典的学术文化中心向日益昌盛的埃及都城亚历山大城转移。此时的欧几里得内心燃起了一股热情,他想将以雅典为代表的希腊数学成果发扬光大,并运用前人曾经采用过的严密逻辑方法编纂成书。于是对后世影响极大的《几何原本》就这样诞生了。

·作品导读·

《几何原本》是一部划时代的宏伟著作。难能可贵的是,虽然这本书出现在两千多年前,但它对数学发展所起的作用是至今任何其他著作所无法比拟的。今天,它在我们中学几何课本中占有的比重仍然很大。很多它涉及的内容都被公认是学习几何知识和培养逻辑思维能力必不可少的经典内容。当然,《几何原本》中也存在着一些结构上难以避免的缺陷,可这丝毫无损于这部著作所体现出来的巨大价值。由于它的影响深远,贡献巨大,使得“欧几里得”与“几何学”几乎成了同义词。《几何原本》集中体现了希腊数学所奠定的数学思想和数学精神,是人类文化遗产中的一块瑰宝。

·作品概要·

《几何原本》按照公理化结构,运用了亚里士多德的逻辑方法,建立起了第一个完整的关于几何学的演绎知识体系。所谓公理化结构就是选取少量的原始概念和不需证明的命题,作为定义、公设和公理,使它们成为整个体系的出发点和逻辑依据,然后运用逻辑推理证明其他命题。《几何原本》是迄今为止两千多年来运用公理化方法的一个绝好典范。

§§§第一卷:主要给出了一些必要的基本定义、解释、公设和公理。另外,还包括一些关于全等形、直线形和平行线的熟知的定理。

§§§第二卷:篇幅较小,主要讨论毕达哥拉斯学派的几何和代数。

§§§第三卷:只要讨论和论证了包括圆、弦、割线、切线以及圆心角和圆周角的一些熟知的定理。这些定理基本都能在我们现在的中学数学课本中找到。

§§§第四卷:主要讨论了给定圆的某些内接和外切正多边形的尺规作图问题。

§§§第五卷:主要对欧多克斯的比例理论作了精彩的阐述和解释。

§§§第六、七、八、九卷:主要讨论的是初等数论,给出了求两个或多个整数的最大公因子的“欧几里得算法”,讨论了几何级数、比例,还给出了许多关于数论的重要定理。

§§§第十卷:主要讨论的是无理量,即不可公度的线段,是本书中最难读懂的一卷。

最后三卷,即第十一、十二和十三卷:主要论述的是立体几何。其中好些几何理论现在都已被广泛地应用于中学教材之内。

黑洞学说上的“相对论”

《时间简史》

·作者简介·

斯蒂芬·威廉·霍金,英国剑桥大学理论物理学和应用数学系教授,当代最伟大的广义宇宙论和相对论家,也是当今享有国际盛誉的伟人之一。霍金被称为在世的最伟大的科学家,还被称为“宇宙之王”。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。

斯蒂芬·威廉·霍金出生于1942年1月8日。毕业于英国著名的剑桥大学和牛津大学,并获剑桥大学哲学博士学位。但不幸的是,霍金在21岁时患上了的卢伽雷氏症。从此,肌肉萎缩的霍金不得不坐在轮椅之上,靠着两根手指和外界进行交流。尽管有种种不幸都降临到自己的身上,可霍金仍没对人生失望。他依然像从前一样对科学持有浓厚的兴趣,在不断地探索和努力下,于1988年他完成了一部震撼世界的科普著作《时间简史》。除此之外,霍金还有一些引起科学界震惊的科学著作或论文,如《果壳中的宇宙》、《黑洞与婴儿宇宙及其他论文》。

·作品导读·

霍金的《时间简史》是全球科学著作中的里程碑,是霍金首次为非专家写的一本里程碑式的佳著,一本对知识无限追求,对时空本质之谜不懈的探讨之作。该书探讨了我们对天体物理学以及时空本质的认识的外在局限性,在精彩的序言中霍金介绍了当今有关宇宙的最重要的科学思想,读后让人领略到当代一个最富有想象力、影响深远的思想家的智慧。霍金对黑洞的开创性研究为我们提供了解答宇宙源于何时这一难题的线索。霍金以其敏锐的风格向我们展现了人类的“世界图景”:从亚里士多德时代开始研究到1915年爱因斯坦的突破进展,直到今天这些年轻卓越物理学家令人激动的新观点。时间有初始吗?它又将在何地终结呢?宇宙是无限的还是有限的呢?带着这些最根本的问题霍金回顾了有关宇宙的重大理论——包括所有的疑问、反论以及尚未解决的矛盾。他认真地解释了伽利略和牛顿的发现,又一步一步地将人们引向爱因斯坦的广义相对论(研究宏观问题),然后又将人们引向本世纪其他重要理论——量子力学(研究微观问题)。最后他探讨了世界性范围努力把广义相对论和量子力学结合成重力量子理论这种统一的理论,试图解决尚未解决的全部难题——他告诉人们为什么他深信伟大的发现已经并不遥远。

·作品概要·

《时间简史》正文共有11章,主要阐述了三个大主题。

第一个主题,包括前1—3章,主要叙述了人类对宇宙图像、时空观念、宇宙演化的基本认识和发展历程,阐明霍金理论产生的基础及其立足点。其中1—2章叙述了几千年来人类的宇宙观和时空观的发展变化,第3章着重阐述近半个世纪以来的突破性发展和新成果,揭示现代宇宙学存在的困难和问题,这也正是霍金提出量子引力理论的出发点。

第二个主题包括4—9章的主要内容。第4、5两章介绍量子力学的基本概念,粒子物理与宇宙的衔接交叉;6—9章阐述了霍金理论的基本内容,包括黑洞概念、黑洞辐射、量子引力效应等,系统地阐明了霍金的宇宙观和时空观。第二个主题的研究,为霍金建构一个完整的、统一的宇宙学理论体系奠定了基础,为量子力学和广义相对论的有机结合创造了前提条件。霍金在他证明奇性定理的成果基础上,将研究视野转移到量子物理学,这个有关非常小尺度的理论观点改变了宇宙开端上一定有奇点的结论,霍金认为,只要考虑了量子效应,奇性则会消失,如此,便有可能预言宇宙是如何起始的。在这里,他做出了毕生最令人吃惊的发现:黑洞不是完全黑的!当人们顾及物质的小尺度行为时,粒子和辐射可以从黑洞中漏出来。黑洞正如同一个热体在不断地辐射着。这种理论无疑又是一个突破性的发现,因为广义相对论曾预言过:当大质量恒星耗尽其核燃料时将会向内坍缩,黑洞便是在这一过程后形成的。霍金和彭罗斯也证明过,它们会继续坍缩直至达到具有无限密度的奇点,这个奇点即是时间的终点。奇点的引力场之强,甚至连照射到它上面的光线都不能从它的区域范围内逃逸,而光线不可能从该处逃逸的区域就叫做黑洞。霍金在第9章则对“时间”进行了集中的精要研究,他认为:科学定律并不能区分前进和后退的时间方向。

第三个主题包括第10、11章的基本内容。是霍金对全书的总结,其中第10章阐述了物理学的总体目标和发展前景,介绍了大统一理论和超弦理论,提出了超统一理论的三种可能结局。第11章中则重申了霍金本人的基本思想观念和主要结论。

一部对世界科学领域影响巨大的著作

《相对论》

·作者简介·

阿尔伯特·爱因斯坦(1879年3月14日—1955年4月18日),20世纪犹太裔理论物理学家、思想家及哲学家,也是相对论的创立者。被誉为是现代物理学之父及20世纪最重要的科学家之一。

爱因斯坦出生在德国乌尔姆市班霍夫街135号,父名赫尔曼·爱因斯坦,母亲玻琳·科克。1886年,5岁的爱因斯坦进入慕尼黑公立学校读书。1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,次年入瑞士国籍。1905年获苏黎世大学哲学博士学位。爱因斯坦曾在伯尔尼专利局任职,并在苏黎世工业大学、布拉格德意志大学担任教授。1913年返德国,任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。1921年获诺贝尔物理学奖。1933年因受纳粹政权迫害,不得不移居美国,任普林斯顿高级研究所教授,从事理论物理研究,1940年转入美国国籍。1955年,爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于美国普林斯顿。

·作品导读·

19世纪末,理论物理学得到了极大的发展,但其中也隐藏着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。古典物理学似乎已达到了近乎完美的程度。

爱因斯坦广泛地关注着物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,逐渐形成了自己独到的见解。他认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学,使他坚信电磁理论是完全正确的。在阅读了许多著作之后,他开始了自己在科学上的探索之路,由此建立了关于时空和引力的基本理论——相对论。

狭义相对论和广义相对论建立以来,经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有着巨大的影响。他从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系,解决了长期存在的恒星能源来源的难题。近年来发现越来越多的高能物理现象,狭义相对论已成为解释这种现象的最基本的理论工具。狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究。并解决了天文学上多年的不解之谜,并推断出后来被验证的引力红移现象,并且成为后来许多天文概念的理论基础。

·作品概要·

爱因斯坦在1916年写了一本通俗介绍相对论的书《狭义相对论与广义相对论浅说》。相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关,而与大质量物体扭曲时空改变物体行进方向有关。

狭义相对论最著名的推论是质能公式,它说明了质量随能量的增加而增加。它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量,但它不是导致原子弹诞生的直接原因。

爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生1.7秒的偏转。

狭义相对论和广义相对论的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。

百科全书式的巨著

《自然史》

·作者简介·

布丰(1707—1788),18世纪法国博物学家以及作家,是人文主义思想的继承者和宣传者。布丰生于孟巴尔城的一个律师家庭,原名乔治·路易·勒克来克,因继承关系,改姓德·布丰。布丰从小受教会教育,爱好自然科学。1739年起布丰担任皇家花园(植物园)主任。布丰用了毕生精力去经营皇家花园,并用40年时间写成了36卷巨册的《自然史》。

·作品导读·

布丰在书中是运用假设的语气,并用神灵和造物主来掩盖了自己所阐述的进化论。但还是遭到了教会的攻击。在外界重重的压力下,布丰最后不得不违心地宣布:“我从来没有任何反对《圣经》的意图,我放弃所有我的著作中关于地球形成的说法,也放弃与摩西故事相抵触的说法。”直到18世纪,宗教还在顽固地维持着对科学的统治,成为西方科学进步中的一块绊脚石。值得庆幸的是,这部书历尽千辛万苦,最终还是传了下来,并对后世产生了深远的影响。

该书在文学成就上也有很大的成就,普遍受到赞扬,布丰的文笔细腻而生动并富有感情。如《自然的分期》是一部史诗,作品对虎、狮、狼、狗、熊、狐狸等进行了形象生动的、拟人化的描写,生动活泼,趣味横生。他用人工方法把动物分类,依它们与人的关系来分等级。不过,这位自然主义作家用的是科学的方法:他细致地观察,订定及应用评估生物物种原理,找出三大种类王国的一致性。他不单以文字对动物作解剖及生理上的描写,而且辅以版画,令人对不同生物物种的特性有更深了解。《自然史》展示了艺术家布丰的一种人生态度。他以异常平静,悠然自得的语言去歌颂大自然的一草一木,盈尺之内呈现着造物主的尊严与灵性。

·作品概要·

布丰花了40年的时间,撰写了博物学巨著《自然史》。《自然史》是一部说明生物起源与地球的通俗性作品。全书共44卷,前36卷由布丰在世时完成,后8卷则由他的学生于1804年整理出版。

在《自然史》中,布丰综合了大量的事实材料,并用科学的观察为基础,以形象生动的语言勾画出了地球、人类以及其他生物的演化过程。《自然史》中当属人类史、动物史、地球史中的观点最具代表性,论述最为精彩。

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