数学史 · 中文镜像

数学家传记

弗里德里希·威廉·贝塞尔Friedrich Bessel

出生
1784年7月22日 威斯特伐利亚明登(今德国)
逝世
1846年3月17日 普鲁士柯尼斯堡(今俄罗斯加里宁格勒)

弗里德里希·威廉·贝塞尔测定了恒星的位置和自行。他还使用了一种涉及现在称为弗里德里希·威廉·贝塞尔函数的数学分析方法。

完整传记

弗里德里希·威廉·贝塞尔的父亲是明登的一名公务员。贝塞尔在明登的文理中学学习了四年,但他似乎并不十分有天赋,觉得拉丁语很难。他后来精通拉丁语,自学了这门语言,这一事实可能表明这所文理中学未能激发贝塞尔。1799年1月,14岁的他离开学校,到不来梅的库伦坎普商行当学徒。这家商行从事进出口业务。

起初贝塞尔从商行没有薪水,但随着他的会计技能得到商行的赏识,他获得了少量薪水。对商行所涉国家的兴趣促使贝塞尔利用晚上学习地理、西班牙语和英语。他的兴趣转向航海,并思考了在海上确定船只位置的问题。这又促使他学习天文学和数学,并开始进行观测以确定经度。

1804年,贝塞尔写了一篇关于爱德蒙·哈雷彗星的论文,利用托马斯·哈里奥特在1607年所作观测的数据计算轨道。他把结果寄给了当时首屈一指的彗星专家海因里希·奥伯斯,奥伯斯立刻认出了弗里德里希·威廉·贝塞尔工作的质量,并给贝塞尔布置了进一步观测的任务,以推进他的工作。由此产生的论文达到了博士学位论文所要求的水平,经奥伯斯推荐发表。从那时起,贝塞尔专注于天文学、天体力学和数学。

奥伯斯向当时仍是那家进出口商行学徒的贝塞尔建议,他应该成为一名职业天文学家。1806年,他接受了不来梅附近利林塔尔天文台助理的职位,这是一家私人天文台。贝塞尔经过相当一番考虑后,才放弃了商业工作中 guaranteed 的富裕生活,转而选择了天文台职位近乎贫困的待遇。然而,利林塔尔天文台给了他观测行星的宝贵经验,特别是土星及其光环和卫星。他还观测彗星,并继续研究天体力学。1807年,他开始着手归算詹姆斯·布拉德利詹姆斯·布拉德利于1742年至1762年任英国皇家天文学家)约1750年在格林尼治对3222颗恒星位置所作的观测。

贝塞尔的杰出工作很快得到认可,莱比锡和格赖夫斯瓦尔德都向他提供了职位。然而他两处都谢绝了。1809年,26岁的贝塞尔被任命为普鲁士国王腓特烈·威廉三世新建的柯尼斯堡天文台台长和天文学教授。贝塞尔若未先获得博士学位,就不可能获得教授职位。哥廷根大学根据卡尔·弗里德里希·高斯的推荐授予了博士学位,卡尔·弗里德里希·高斯于1807年在不来梅结识了贝塞尔,并认出了他的才华。

尽管柯尼斯堡天文台仍在建设中,贝塞尔于1810年5月10日就任新职。从1810年到1813年,天文台的建设继续进行,他则继续研究詹姆斯·布拉德利的观测资料。贝塞尔的工作此时已闻名国际,他因基于詹姆斯·布拉德利的观测编制的折射表而荣获法兰西研究院颁发的拉朗德奖。同样在此期间,1812年,他当选为柏林科学院

柯尼斯堡天文台于1813年建成,贝塞尔开始在那里进行观测。Fricke1中写道:-

贝塞尔余生都留在柯尼斯堡,不间断地进行研究和教学,尽管他常常抱怨由于气候不利,观测的可能性有限。他拒绝了柏林天文台台长的职位,因为担心会承担更大的行政和社会责任……

正是在柯尼斯堡,贝塞尔承担了测定超过50000颗恒星的位置和自行这一艰巨任务,这导致了1838年天鹅座61的视差的发现。然而,尽管他在1812年缔结了幸福的婚姻([1]),他的生活并不十分顺遂:-

……他们有两个儿子和三个女儿。[这段婚姻]因疾病和两个儿子的早逝而蒙上阴影。……从1840年起,贝塞尔的健康状况恶化。他最后一次长途旅行是在1842年前往英格兰,在那里他参加了在曼彻斯特举行的英国协会大会。他与包括赫歇尔在内的重要英国科学家的会面给他留下了深刻印象,并促使他尽管健康衰弱,仍完成并出版了一系列著作。两年后,他死于癌症……

让我们更详细地考察贝塞尔的工作。他利用詹姆斯·布拉德利的数据给出了恒星和行星位置的参考系统,也用于确定恒星的位置。他必须推断出詹姆斯·布拉德利仪器的误差以及由折射引起的误差。他必须将位置归算到一个固定日期,并消除地球运动、地球岁差及其他效应的影响。[5]的作者们写道:-

贝塞尔是最早意识到以下一点的天文学家之一:在完全信赖一次位置观测之前,必须对可能进入最终结果的每一种误差都有定量的了解。他之所以使用詹姆斯·布拉德利内维尔·马斯基林十八世纪在格林尼治的观测,是因为这两位天文学家最早对他们自身的仪器误差,以及进行测量时所处大气的温度和气压,提供了详尽的分析。通过消除所有误差来源——光学的、机械的和气象的——贝塞尔能够从天文结果中获得惊人的精确度,并从中提取出大量新数据。

贝塞尔在确定岁差、章动和光行差常数方面的工作为他赢得了更多荣誉,例如1815年来自柏林科学院的奖项。贝塞尔于1818年在一部给出恒星自行的著作中发表了詹姆斯·布拉德利的恒星位置。1825年,他荣膺皇家学会会士。

1830年,贝塞尔发表了38颗恒星在1750—1850年这100年间的平均位置和视位置。这38颗恒星是内维尔·马斯基林的36颗“基本星”再加上两颗更靠近极区的星。从内维尔·马斯基林的36颗基本星中的天狼星和南河三的自行周期性变化中,贝塞尔推断它们有未被观测到的伴星在轨道上运行。1841年他宣布天狼星有一颗伴星,从而成为第一个预言“暗星”存在的人。十年后,伴星的轨道被计算出来,并于1862年被观测到。

贝塞尔利用视差确定到天鹅座61的距离,并于1838年公布了他的结果。显然,要成功就必须选择一颗离太阳近的恒星。他选择恒星的方法基于他自己的数据,因为他选择了所研究过的所有恒星中自行最大的那颗,并正确地推断这意味着该恒星距离较近。由于天鹅座61是一颗相对暗淡的恒星,这是一个大胆的选择,基于他对自行原因的正确理解。贝塞尔使用夫琅禾费量日仪进行测量,公布了他的数值0.314″,结合地球轨道的直径,得出距离约为10光年。天鹅座61视差的正确值为0.292″。

约翰·赫歇尔得知贝塞尔的成就后,写信给他,将其描述为:-

……实用天文学所见证过的最伟大、最辉煌的胜利。

奥尔伯斯在贝塞尔80岁生日时得知他的成就,说这是一份礼物:-

……首次将我们关于宇宙的观念置于可靠的基础上。

Royal Astronomical Society授予他金质奖章以表彰这一成就。

贝塞尔还研究出一种数学分析方法,涉及现在所谓的Bessel function。他在1817年研究约翰内斯·开普勒的一个问题时引入了这一方法,该问题是确定三个在相互引力作用下运动的物体的运动。这一数学成就在[1]中描述如下:-

贝塞尔 也是一位杰出的数学家,他的名字通过一类特殊的函数而广为人知,这些函数已成为应用数学、物理学和工程学中不可或缺的工具。对这些函数的兴趣……源于处理行星系统中的摄动问题。

贝塞尔 函数作为行星间接摄动的级数展开中的系数出现,即由摄动天体引起的太阳运动所导致的运动。1824年,他在研究行星摄动时更充分地发展了 贝塞尔 函数,并在柏林出版了一部关于它们的论著。这些函数的特殊情形并非首次出现,雅各布·伯努利丹尼尔·伯努利莱昂哈德·欧拉约瑟夫·拉格朗日 此前已研究过它们的特殊情形。事实上,很可能正是 约瑟夫·拉格朗日 关于椭圆轨道的工作首次促使 贝塞尔 研究 贝塞尔 函数。

这位14岁便离开正规教育的非凡人物,其贡献超越了天文学和数学。他对大地测量学的贡献包括[2]:-

……1826年对秒摆的一项修正,其长度经过精确计算,使得摆动一次恰好需要一秒。在1831-32年间,他指导了东普鲁士子午线弧的大地测量,并在1841年推导出地球椭率的一个值 1299\large\frac{1}{299}\normalsize,即地球形状偏离完美球体的椭圆畸变程度。

贝塞尔 尽管从未接受过大学教育,却对大学教学产生了非常显著的影响。在[8]中,菲利克斯·克莱因 描述了 贝塞尔 的名字,连同 卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比恩斯特·弗朗茨·诺伊曼 的名字,如何与大学教学改革紧密相连,这场改革最初在德国,随后遍及全世界。

参考文献

正文里的方括号编号指向这里,悬停即可直接看到条目。书目保留原文——译了书名反而查不到文献。

延伸资源

原站列出的延伸阅读与外部数据库,照原样保留,目标多为英文页面。

相关专题

原站的交叉引用。指向本站已镜像专题的留在站内,其余仍指回原站。