数学史 · 中文镜像

数学家传记

乔治·比德尔·艾里George Biddell Airy

出生
1801年7月27日 英格兰诺森伯兰郡阿尼克
逝世
1892年1月2日 英格兰格林尼治

乔治·比德尔·艾里是剑桥大学的卢卡斯教授和皇家天文学家。他对数学和天文学做出了许多重大贡献。

完整传记

乔治·比德尔·艾里的父亲是William Airy,母亲是Ann 艾里。William Airy来自林肯郡,Ann是萨福克郡一位农民的女儿。最初William也是农民,但他自学成才,升到了税务稽查员的职位。艾里出生时,他的父母住在诺森伯兰,William在那里担任消费税征收员,但第二年William被调往赫里福德,全家便搬到了那里。

艾里在科尔切斯特就读于拜厄特·沃克学校,十岁时在小学阶段结束时取得第一名。他在学校学到了一些有用的技能,如算术、复式记账以及如何使用计算尺。然而,他很可能从研读父亲的书籍中学到了更多。他在自传中写道(见[4]):——

……他在同学中并不受欢迎。

埃根写道[1]:——

作为一个内向但并不害羞的孩子,艾里即便在当时、尤其是就其处境而言,也是个年轻的势利眼。尽管如此,他凭借制作豌豆射手和其他类似装置的出色技巧和创造力,克服了同学们对他的部分厌恶。

艾里离开拜厄特·沃克学校后,他父亲再次搬迁,这一次搬到了埃塞克斯。从1812年起,艾里每年夏天都与他的叔叔阿瑟艾里一起度过,后者在伊普斯威奇附近有一个农场。显然,艾里在家里不太开心,因为他问叔叔能否和他一起生活,而不是和自己的家人住在一起。自1813年父亲失去税务员工作后,家里的情况变得更糟,从那时起全家生活贫困。由于经济状况,家人似乎相当乐意让艾里的叔叔几乎接替了父亲的角色。

在接下来的五年里,艾里大约有一半时间与叔叔一起度过,这对他很重要。Arthur 艾里是个有学问的人,拥有一座精美的图书馆,藏有化学、光学和力学方面的书籍,艾里如饥似渴地研读这些书,此外他还有许多顶尖科学家朋友。他们对年轻的艾里产生了显著影响,是他寻求学术生涯的主要因素。

在这五年间,即1814年至1819年,艾里就读于科尔切斯特文法学校,在那里他[8]:

……以记忆力著称,在一次考试中背诵了2394行拉丁文诗句。

艾里于1819年进入剑桥大学三一学院,身份是减费生(Sizar),这意味着他支付减免的学费,但基本上要作为仆役来弥补学费的减免。然而,只是因为他叔叔提供了经济支持,他才得以接受大学教育。为了补充收入,艾里招收私人学生,这当然减少了他自己学习的时间。尽管如此,他的表现非常出色,于1823年以高级牧马人(一等荣誉生第一名)毕业,并获得史密斯奖。罗伯特·伍德豪斯于1822年离开卢卡斯讲席成为普卢米安天文学教授,是艾里的史密斯奖考官之一,另一位是接替罗伯特·伍德豪斯担任卢卡斯讲席的托马斯·特顿。次年,艾里获得三一学院的研究员职位,开始了他的学术生涯。

我们应该评论一下为什么艾里在荣誉学位考试中表现如此出色,远远领先于第二名的学生。当时的荣誉学位考试与其说是测试数学能力,不如说是测试考生学习大量材料和方法的能力。在这方面,艾里证明异常出色,部分是因为他出色的记忆力,但也因为他非凡的组织能力。作为本科生,他身边总是放着纸,记录下每一个想法。后来,一切都转移到他所保存的书籍和日记中。他一生都保持这种习惯,这份几乎记录了他每一个想法的记录仍然存在,为那个时期提供了非凡的证据[4]:

他性格的主要特征是秩序。从进入剑桥到生命结束,他的秩序体系一直严格维持。

艾格尼兹·玛丽·克勒克在[8]中写道:-

他从不销毁任何文件,而是设计了一个巧妙的方案,便于查阅他大量的论文。

1824年,艾里在徒步度假时遇到了Richarda Smith。他们初次见面两天后他就求婚了,但她的父亲Richard Smith——查茨沃斯附近一座教堂的牧师——拒绝允许这桩婚事,理由是艾里在经济上无法养活他的女儿。这使艾里下定决心要获得一个职位,其经济地位能让他结婚。

从剑桥毕业仅三年后,他就被任命为剑桥的卢卡斯数学讲席教授。相当令人惊讶的是,卢卡斯讲席教授每年只收到99英镑,而艾里作为助理导师已经收到150英镑。艾里在1826年被告知Turton即将离任时,不知道自己是否有能力竞争这个讲席,但乔治·皮科克说服他,地位比金钱更重要。他成为三位候选人之一,另外两位是French和查尔斯·巴贝奇。当查尔斯·巴贝奇表示他打算就选举一事启动法律程序时,French退出了。艾里获胜,与查尔斯·巴贝奇之间持续多年的竞争由此开始。

除了卢卡斯讲席之外,艾里还被任命为经度委员会成员,只要他出席四次会议,每年就能再获得100英镑。他解释了自己的行为(见[4]):-

如果我能等待的话,我在法律或其他行业的前景可能不错,但那样婚姻就无从谈起了,而我更愿意在不太长的时间内获得一份中等收入。我现在已在某种程度上把科学作为我的方向(但并非不可更改),我认为最好至少在一段时间内把它做好,然后等待机会。

当然,这些话并非出自一个被对学科的热爱所驱使的人之口。他肯定仍然没有足以让他娶Richarda的经济地位,所以他尝试谋求其他职位。他争取爱尔兰皇家天文学家空缺职位的努力在1827年失败了。

艾里是Smith奖的考官,并在担任卢卡斯讲席期间授课。他讲授光学,在这些讲座中他解释了散光问题。这是一种艾里自己也患有的眼睛缺陷,他是第一个设计眼镜来矫正它的人。他早些时候就此问题发表了一篇论文On a peculiar Defect in the Eye,他是第一个提供实际解决方案的人。

1828年,乔治·皮科克告知艾里,天文学Plumian教授罗伯特·伍德豪斯已时日无多,并建议他谋求这个讲席。他写道[4]:-

我让人知道我是候选人,没有人认为值得反对我。……我告诉所有人,薪水(约300英镑)不够,并起草了一份给大学的请愿书要求加薪。……大学以前从未以这种方式被突然袭击,对此有一些骚动。我相信很少有人会采取这一步。……我毫不怀疑会成功。

艾里被任命为剑桥大学普卢米安天文学讲席教授和剑桥天文台台长。大学满足了他增加薪水的要求,他每年获得的500英镑足以让他与Richarda Smith结婚,他于1830年3月24日这样做了。

他于1835年成为皇家天文学家,当时从剑桥搬到格林尼治。在那里,他对皇家天文台进行了重组,这在许多方面是积极的,但也有一些不幸的副作用。由于他不能容忍他的员工自行思考,在他担任皇家天文学家期间,天文台没有培养出任何年轻科学家。然而,他相当出色的工程能力在翻新天文台的仪器方面得到了很好的利用。他担任皇家天文学家一职直到1881年辞职,余生与他的两个未婚女儿住在格林尼治公园附近的White House。

艾里写了On the Algebraic and Numerical Theory of Errors of Observations and the Combinations of Observations一书。尽管当时有人说它:-

……除了那些已经彻底熟悉该主题的人之外,无法阅读,

这本书在剑桥被使用,并影响了卡尔·皮尔逊。这本书是艾里出版的十一本书之一,其他一些包括Trigonometry(1825年)、Gravitation(1834年)和Partial differential equations(1866年)。他非凡的出版记录包括500多篇论文和报告。这源于他极其努力的工作以及高度组织化、高效的工作方式,这使他能够完成比几乎所有其他科学家都多得多的工作。

他对数学的态度非常像一位应用数学家,认为研究这门学科本身没有意义。他的儿子在[4]中写道:-

他的天性极为务实,相应地,他对纯理论问题和研究十分厌恶。在这个问题上,他不断与一些剑桥数学家发生争执。年复一年,他严厉批评参议院楼试卷和史密斯奖试卷,并就同一主题与阿瑟·凯莱进行有趣而尖刻的私人通信。

艾里在1845年迟迟未按约翰·柯西·亚当斯建议的位置搜寻海王星,使约翰·柯西·亚当斯未能获得其工作的全部荣誉,尽管在许多方面他因这一事件受到了不公正的批评。然而,艾里确实对数学和天文学作出了许多重大贡献。他改进了金星和月球的轨道理论,研究了光学中的干涉条纹,对彩虹进行了数学研究,并通过在深矿井顶部和底部摆动摆锤计算了地球的密度。我们应当注意,他得到的值偏大了相当多。

艾里 于1834年被任命为建立标准度量衡委员会的主任。他于1835年当选为 爱丁堡皇家学会 的会士,并于1836年当选为 伦敦皇家学会 的会士,此前于1831年获得了该学会的科普利奖章。他于1840年向该学会做了题为 On the theoretical explanation of an apparent new polarity of light 的贝克讲座。他于1845年因一篇关于爱尔兰潮汐的论文获得了该学会的皇家奖章。

Royal Astronomical Society 于1845年选举 艾里 为主席。然后,在1851年,艾里 当选为 英国协会 的主席,并于1871年当选为 伦敦皇家学会 的主席,担任该职位两年。法兰西学院选举他为成员,以填补1872年 约翰·赫歇尔 去世后空缺的职位,同年他接受了爵士头衔,此前曾三次拒绝,理由是他负担不起费用。此后不久,在1874年,他组织了一次探险,观察金星的 中天

除了专业科学兴趣之外,艾里 是一个兴趣广泛的人。他喜欢诗歌、历史、神学、古物、建筑、工程和地质学。他甚至发表了一些关于其他兴趣的论文,包括一篇试图确定尤利乌斯·凯撒在英国的登陆地点和离开地点的论文。此外,他还发表了许多关于宗教问题的论文。

他的性格中确实有一些方面使他不受周围人的欢迎。我们已经提到他在学校时是个势利眼。在后来的生活中,他讽刺挖苦,并对皇家天文台的工作人员实行严格的纪律。为他辩护,我们必须注意到,他对自己也实行了如此严格的纪律,以至于他期望别人也这样做对他来说一定显得很自然。

艾里的性格可以从他与查尔斯·巴贝奇长期不断的争执中看出来。1832年他们因一架望远镜的质量发生争执,十年后他说查尔斯·巴贝奇的计算引擎“毫无价值”,并实际上终止了政府对这一项目的资助,1854年他又支持铁路的窄轨,而查尔斯·巴贝奇支持宽轨。在所有这些争执中艾里都是赢家,但他在这些争论中是否站在“正确”的一边,远非清楚。

我们应当以几句话来结束关于艾里作为科学家的重要性的讨论。他自己的话确实表明他对自己有现实的认识(例如见[1]):-

……在天文学中那些……[只需要]方法和判断、所雇用人员科学素养很低的领域,我们做了很多;而在那些完全依赖个人努力的领域,我们做得很少……我们的主要进展是在天文学较低分支中取得的,而对于科学较高分支,我们没有增添任何东西。

Eggen在[1]中写道:-

艾里不是一位伟大的科学家,但他使伟大的科学成为可能。

然而,其他人对艾里的成就评价更高。西德尼·查普曼 [7] 认为:-

艾里被不公平地排挤到了科学边缘……

他的儿子这样总结艾里的一生 [4]:-

艾里的一生基本上是一个勤奋商人的一生,与其他勤奋的人的不同之处仅在于他工作的质量和多样性。这不是激动人心的一生,但充满了趣味……

参考文献

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