高斯-德国数学家、物理学家和天文学家

2012-06-24 15:28阅读：

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约翰·卡尔·弗里德里希·高斯
Johann Carl Friedrich Gauss

联邦德国1955年发行的高斯逝世100周年纪念邮票

在德国哥廷根大学的广场上，引人注目地矗立着一座用白色大理石砌成的纪念碑，它的底座砌成正十七边形，纪念碑上是一个青铜雕像，他就是高斯。
约翰·卡尔·弗里德里希·高斯（德语：Johann Karl Friedrich Gauß）。1777年4月30日生于德国不伦瑞克；1855年2月23日卒于格丁根。德国著名的数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家。高斯是近代数学奠基者之一，他和牛顿、阿基米德，被誉为有史以来的三大数学家。在历史上影响之大，可以和阿基米德、牛顿、欧拉并列，有“数学王子”之称。
高斯出生在一个贫苦的家庭，祖父是农民，父亲没有固定职业，为了维持生计，做过多种工作，没有受太多的教育，但也能写会算。母亲是父亲第二个妻子，在结婚前是一个贵族家的女仆，聪慧善良，仅能识字而不会写。
在整个数学史上，没有人像高斯那样早熟，说来简直令人难以置信。当他还在咿呀学语时，母亲怀抱中的他就能把鸡栏中的小鸡数得一清二楚；他在3岁的时候就已经显示出不凡的智慧。有一个星期六的晚上，高斯的父亲在费力地计算工人的工资，他一点也没察觉到儿子在旁边观看着，当他好不容易计算出来后，松了一口气。不料小高斯过来拉拉他的衣角，细声说：“算错啦，爸爸。总数是……”父亲惊讶不已，决定重算一遍，结果是儿子对了!高斯父亲原来并不打算让高斯上学，看到如此聪明的儿子，他改变了主意。7岁时，父亲把高斯送进国民小学。
圣·凯瑟琳小学是高斯走进的第一所学校，管理学校的是个叫布特纳的教师，一位从柏林来的大学生。布特纳认为让他来教这些顽皮的乡下孩子，简直是大材小用，心情不好的他经常把怒气撒到学生身上，动辄揪着小学生的耳朵罚站墙角。小学生见到他，就像老鼠见了猫，吓得几乎连自己的名字都记不清子。可是，就从这个使孩子胆战心惊的老师身上，高斯找到了幸运。高斯上四年级的一天，神情严厉的布特纳夹着讲义来上算术课。这一天，他好像特别不高兴，阴沉着脸向大家说，如果做不好今天的题，就不用回家吃饭了。他让学生们计算1+2+3+…+100=? 随后，他拿出一本书读起来，教室里一片寂静，所有的学生都在急忙地计算，数字越加越大，稍不留心错一位，又得重新开始，有的同学满头是汗，有的同学急出了泪花。高斯没有急于计算，而是细心地观察，他发现1+100=101，2+ 99=101，3+ 98=101，……，50+51=101。总共有50个101，他立刻得到：1+2+3+…+99+100=50×51=5050。
当他把写有答案的石板交给老师时，布特纳认为这个全班最小的学生准是瞎写了些什么或交了白卷，不耐烦地说：“再算算。”高斯捧着自己的小石板，轻声地说：“老师，我算完了。”当布特纳的目光不经意地向石板上瞟了一眼时，他大吃一惊。要知道高斯用的这个方法，是许多古代数学家经过长期努力找出来的求等差级数和的方法，有经验的布特纳意识到这是一件不寻常的事，这一年，高斯才9岁。这个聪明的乡下孩子改变了他昔日的看法，他从柏林买来最好的算术书送给小高斯。
这些新书带给高斯极大的兴趣和喜悦，他把一个大萝卜挖成空心，在中间放上一块油脂，插上一个灯芯，一盏萝L灯就做好了，每天晚上它陪伴着高斯在阁楼上学习到深夜。没用多长时间小高斯就把老师送给他的书都看完了，并且不断探索新问题。
“他已经超过我了，”布特纳不得不承认，“我没有更多东西可以教他了。”
幸好，这位校长有个年轻的助手巴特尔斯，他为人和善，对数学有特殊的爱好，他只比高斯大8岁，高斯很快和他结成形影不离的好朋友。两个人一起学习，相互切磋。他们冲破一道道障碍，解决一个个疑难。尤为可贵的是，现成的结论已经不能使高斯满足。他以批判的眼光对书上的结论逐个进行审查，一连要问上好几个“为什么”。在这个基础上，他开始对数学大师们的某些“证明”不客气地提出挑战。

高斯几内亚2010年发行

高斯成了当地有名的神童。有一天他边走边读书，不知不觉中闯入勃朗斯威克公爵费迪南的花园，公爵夫妇听说这个孩子就是高斯时，便对他进行了测验，发现高斯确实聪明。高斯的聪明才智得到费迪南公爵的赏识，他决定资助高斯深造。
15岁的高斯被送进卡罗琳学院，在那里他掌握了希腊文、拉丁文、法文，又学会了代数、几何、微积分，语言学和数学是他最喜欢的两门课程。这里的一切强烈地吸引着这个渴望知识的农村孩子，这是他步入科学殿堂的新起点。
课余时间，高斯常常留连于图书馆中钻研外文和数学。他专心研读了英国的牛顿、法国的拉格朗日、瑞士的欧拉这些大名鼎鼎的数学家的外文原著，他学习但不迷信，对大师们的某些证明有时也不客气地提出挑战。勤奋的学习得到了丰硕的成果。两年后，17岁的高斯发现了数论中的二次互反律。这个问题大数学家欧拉和勒让德都曾研究过，但第一个给出严格证明的是高斯。学院院长为此感到十分荣耀，亲自发给高斯奖状。
18岁时，高斯在费迪南公爵的推荐下进入了哥廷根大学。这所大学的办学方式追随英国牛津大学、剑桥大学，奖金充裕。高斯对它格外倾心的原因还有两个，一是这里有极丰富的藏书，二是它注重改革，侧重科学的好名声。
数学和语言等几科学问都是高斯所钟爱的，究竟把哪种学问作为自己终生研究的职业，高斯久久拿不定主意。1796年3月30日，19岁的高斯用直尺和圆规作出了正十七边形，自欧几里得时代起就困扰着历代数学家的尺规作图这一难题，两干多年后被高斯这个青年学生解决了，这一成果震动了数学界。这一成果最终决定了他走数学之路而非文学之路，高斯真正认识了自己的能力之所在。从1796年至1801年是高斯学术创作的最旺盛的阶段，他提出的定理、证明、概念、假设和理论每年平均25项之多，一颗璀璨的数学新星冉冉升起。

高斯和他的正十七边形尺规作图法民主德国1977.4.19发行

1807年，高斯被他的母校哥廷根大学聘为常任数学教授和天文台台长。天文台台长这个职务比一个通常的大学职位更适合于高斯，他是一个寡言的人，缜密思考是他的强项，他对教学的兴趣可不大，而天文台的工作可以激发他对应用数学和天文学的极大兴趣。在这个职位上他一直工作到1855年2月23日逝世之前。
高斯几乎对数学的所有领域都做出了重大贡献，是许多数学学科的开创者和奠基人。数学家评论说：“在数学世界里，高斯处处留芳。”在代数学方面，他第一个证明了任何一个复系数的单变量的代数方程都至少有一个复数根。这一定理被称为代数基本定理。他还严谨地证明了任何复系数单变量n次方程有n个复数根。这两个定理的证明奠定了代数方程的理论基础。
在数论方面，高斯在18世纪末完成了他的传世之作《算术研究》，其中的论等分圆周问题是这部专著的精华部分。这部著作给数论的研究开创了一个新纪元，是现代数论的基础。高斯非常偏爱数论，他曾经说过：“数学是科学之王，数论是数学之王。”以后的100年间，几乎所有数论方面的发现都能追溯到他的研究里去。

高斯平面联邦德国1977.4.14发行

高斯在曲面论、单复变函数论及其他方面也有卓越的贡献。此外，他还有大量成果在生前没有发表，其中最著名的有椭圆函数和非欧几何。高斯对科学持严谨慎重的态度，他绝不把没有完全成熟的成果拿出来发表，在他的日记里记载着大量非常有价值的研究成果，直到高斯去世后，人们才发现并被这些重大成果所震惊。

高斯24岁时，一个名叫皮亚齐的天文学家在意大利西西里岛的巴勒莫天文台核对星图时，发现了一个“没有尾巴的彗星”，它的直径只有770公里，他观察这个新面孔40多天，不久它被阳光所掩，随之就消失在太空中了。全世界的天文学家都竭尽全力搜寻它，可是在无垠的太空中去寻找一颗小星星，宛如大海里捞针，谈何容易。高斯采用了新的数学方法，创立了行星椭圆轨道法，解决这个问题导致一个8次方程。为了算这个8次方程的近似解，高斯发明了“最小二乘法”，为了评价这种近似解的可信度，又建立了“误差论”。用高斯的新方法，只需三次观测数据就可以给小行星定位。
高斯取得的成果，当时并没有引起天文学家的重视。但是，当人们在高斯预言小行星将要出现的位置和时刻发现了小行星时，天文学家们大吃一惊。这就是人类历史上观测到的第一颗小行星，著名的“谷神星”。

尼加拉瓜1994年发行的天文学家邮票
哥白尼和高斯背景建筑为哥廷根天文台

高斯一生勤奋努力，刻苦钻研，治学严谨，成果丰硕，对人类的科学事业做出了巨大贡献。他的格言是“宁肯少些，但要好些”。他的著作都是精心构思，反复推敲后以最精辟的形式论证的。高斯的个性孤僻，他更喜欢独自从事研究。他尽力避免学术论争，一些前瞻性的研究成果，为了避免“蠢人的讥笑，”他宁可把它们锁在抽屉的深处。他特别注意他的著作可能产生的影响，不达尽善尽美的程度绝不发表。所以他的著作远没有欧拉的著作多，但一旦下笔，就会在数学界引起反响。他一生共发表论著155篇(部)，他是最后一位卓越的古典数学家，又是一位杰出的现代数学家。他不仅预见了19世纪的数学，还为19世纪的数学发展奠定了基础。
1855年2月3日清晨，高斯在睡眠中故去。许多政府和大学的高级官员都来参加高斯的葬礼，为这个不同凡响的数学巨匠送行，他的学生(后来成为法国科学院、柏林科学院、罗马科学院院士)戴德金是送葬抬棺者之一，高斯的女婿在悼词中赞扬他是难得的无与伦比的天才。高斯的大脑具有深而多的沟回，作为解剖标本被收藏于哥廷根大学。高斯被后人誉为“数学王子”。这种赞誉恰如其分，他是数学史上一个转折时期的杰出代表人物，起着承上启下的作用。在他身后，哥廷根大学对高斯的遗著及文稿进行整理，历时67年，出版了<高斯全集)共12卷。