残留在古建筑上的图案,作者摄于西西里。
据4世纪的数学家帕波斯(Pappus)所言,著名的阿基米德螺线是科农发现的,现今巴黎二十个区便是依此曲线排列,这个图案还出现在2004年雅典奥运会的闭幕式上。可惜,科农本人的著作均已遗失,包括7卷本的《论天文学》和《答色腊西达库斯》,后者讨论了圆锥曲线和圆的交点问题。
科农去世以后,阿基米德又与科农的学生、研究历法和天气预报的犹太人多西修斯通信,他在信中写道,“听说科农已经死了,他是我非常好的朋友,而你与他十分相熟,又是学习几何的学生……因此我写信给你,寄给你一些几何定理,因为我已经习惯写信告诉科农了。”
从阿基米德其他著作的前言中我们得知,多西修斯在给阿基米德的信中,也经常问起一些数学问题,至于具体内容是什么,无人知晓。无论如何,阿基米德的主要学术成果,均是在与这些亚历山大学者的通信中为人所知并保存下来的。
究其原因,古希腊没有学术刊物,出版书籍也非易事,因此许多学者通过给朋友们写信,向世人宣布自己的学术成果,附信的内容也成为论著的序言。比阿基米德稍晚的阿波罗尼奥斯也是这样做的,他与欧几里得、阿基米德并称为亚历山大黄金时期的三大数学家。
阿波罗尼奥斯年轻时也在亚历山大求学,后来到过小亚细亚米利都北面的帕加马王国,那里有一个大图书馆,规模仅次于亚历山大。他在帕加马认识欧德莫斯(Eudemus)和阿塔罗斯(Attalus),回到亚历山大后,把他的名著《圆锥曲线论》前3卷和后5卷分别寄给欧德莫斯和阿塔罗斯,两人因此在数学史上留名。但此欧德莫斯非数学史家欧德莫斯,后者来自罗德岛,是亚里士多德的学生。
03 力学之父
阿基米德是叙拉古统治者希罗王的亲戚,和王子格伦是朋友,格伦后来继承了王位。公元前1世纪的罗马建筑师、作家维特鲁威在其十卷本的名著《建筑学》第九卷中,记叙了阿基米德和希罗王一则千古传诵的故事。
随着希罗王的政治威望和权势的日益提高,他决定建造一个华贵的神龛,内装一个纯金的王冠(wreath,其实是环状花冠),以报答神灵的恩泽。金匠如期完成了任务,本应得到奖赏,偏偏这时候有人告状,说他偷去一部分金子,代之以银子。国王甚为愤怒,却又无法判断真假,便请聪明能*阿基米德来鉴定。
起初,阿基米德也想不出好办法。苦闷之际,他到公共浴室洗澡,当浸入放满水的木桶时,一部分水溢出桶外,他的身体顿觉轻飘,于是豁然开朗。阿基米德领悟到,不同质料的物体,虽然重量相同,但因为体积不同,排出的水量也必不相同。根据这一道理,不仅可以判断王冠是否掺假,还可以知道少去的黄金份量。
阿基米德从浴盆里站了起来。
阿基米德高兴地跳了起来,赤身裸体地用多利安方言高喊“尤里卡!”意思是,“我找到了!”他不仅揭穿了金匠的劣迹,且将其上升到理论高度,得到流体静力学的浮力原理:物体在流体中减轻的重量,等于排去流体的重量。
这个原理记载在阿基米德的著作《论浮体》中,《建筑学》因为这则故事被数学家们知晓,文艺复兴以后它成为古典时期的建筑名著。另有作者记成是希罗王头上的王冠,如同专家所分析的,这不甚合理,如此轻巧的体积恐不能混入银子,也难以用排水法鉴别真伪。
1500年以后,意大利画家达·芬奇依据《建筑学》第3卷中提出的人体比例要求和黄金分割律,绘出了钢笔素描《维特鲁威人》,后来成为艺术史上最著名的素描,《建筑学》也借此进入了绘画史。其实,维特鲁威本姓波利奥,因为与同时代的诗人、演说家兼历史学家同名,故被后世写成维特鲁威。
在帕波斯的著作《数学汇编》里,记载了阿基米德另外一个有名的杠杆定律的故事。这个定律说的是,如果两个物体与一个支点的距离反比于其重量,则杠杆获得平衡。杠杆定律奠定了力学的基础,阿基米德因此发出豪言壮语:“给我一个支点,我可以移动地球。”(希腊语原文:Δός μοι πᾷ στῶ καὶ τὰν γᾶν κινήσω. 英译:Give me a standing place and I will move the earth.)
其实,准确的说法是,“如果另外有一个地球,就可以站在那儿移动这一个。”这是1世纪罗马帝国时代的希腊传记作家普鲁塔克在《马塞勒斯传》里描写的,阿基米德还向希罗王夸下海口:任何重物都可以用一个给定的力来移动。国王听后大为惊讶,要求阿基米德用事实来证明。
于是阿基米德从国王的船队中选了一艘有三根桅杆的货船,那通常需要很多人花大力气才拖得动。阿基米德安装了一组滑轮,一个人独自握着绳子站在远处,轻而易举地将船拉了过来。而依据5世纪的拜占庭哲学家普罗克洛斯(Procrus)的说法,那是希罗王为托勒密王建造的一艘大船,下水时几乎动用了所有的叙拉古人,而阿基米德凭借自己发明的机械装置,使得国王一个人就把它拖动。
尼加拉瓜邮票上的阿基米德和杠杆原理。
国王因此对他佩服得五体投地,并当众宣布,“从现在起,阿基米德说的话我们都要相信。”有趣的是,笔者发现,今天通过巴拿马运河或苏伊士运河上的每一艘巨轮,依然依靠轨道上的滑轮车牵引。
04 数学之神
阿基米德不仅出身高贵,内心也具有贵族气质,他对自己的实用发明并不十分看重,这从他流传下来的著作可以看出,那几乎是清一色的数学问题,而机械方面的发明全仰仗他人的记载,但他对机械学的兴趣还是深深地影响了他的数学思想。
《论球与圆柱》可能是阿基米德最得意的数学著作,序言是他给多西修斯的一封信。书中给出了六个定义和五个公理,例如:两点之间的所有连线,以直线最短;以相同的平面曲线为边界的曲面中,以平面的面积最小。最著名的公理也叫阿基米德公理,用现代数学语言来描述就是:任给两个正数a和b,必存在自然数n,使得na > b。从这些定义和公理出发,阿基米德推导出了六十个命题。
例如,阿基米德发现并证明了,球面积等于它的大圆面积的4倍,球体积等于以它的大圆为底、半径为高的圆锥体积的四倍。后者意味着:以球的大圆为底、直径为高的圆柱的体积是球体积的二分之三。实际上,这便是著名的球体积公式:
这属于命题34,那也是应他要求刻在自己墓碑上的著名论断。七百年以后,利用3世纪数学家刘徽提出的牟合方盖思想,中国晋朝的数学家祖冲之、祖暅父子也得到了同一结果。