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数学家传记

让-巴蒂斯特·毕奥Jean-Baptiste Biot

出生
1774年4月21日 法国巴黎
逝世
1862年2月3日 法国巴黎

让-巴蒂斯特·毕奥是一位法国数学家,研究天文学、弹性、电与磁、热、光学和几何学。

完整传记

让-巴蒂斯特·毕奥的父亲是Joseph Biot,其祖先曾是洛林的农民,后在财政部担任重要职务。毕奥在巴黎的路易大帝学院接受教育,专攻古典学。他于1791年在路易大帝学院完成学业,此后,由于父亲希望他从事商业,他便跟随路易·安托万-勒内·莫迪学习数学,后者是法兰西公学院的数学教授。Joseph Biot随后将儿子送到勒阿弗尔,给一位商人当文书助理。他的工作包括抄写大量信件(我们得感谢复印机!),这让毕奥感到非常无聊,于是他自愿参军。他于1792年9月加入法国军队,并在1793年9月的翁德肖特战役中服役于炮兵部队。在这场战役中,法国击败了围攻敦刻尔克的英国和汉诺威士兵。战役后,毕奥因患病决定离开军队,回到父母身边。当他步行前往巴黎时,一位乘坐马车的重要人物与他交好。他让毕奥坐上马车前往巴黎,在那里他(毕奥)作为逃兵被捕(他仍穿着军装),并被带到革命委员会面前。如果不是那位陌生人介入,这将对毕奥产生严重后果,他最终获释。尽管毕奥努力寻找,他仍未能确认那位重要陌生人的身份并向他致谢。

毕奥花了几个月从疾病中恢复,在此期间他继续学习数学。他参加了桥梁与道路学校的入学考试,并于1794年1月被录取。巴黎综合理工学院于1794年晚些时候成立(第一年实际上名为“中央公共工程学校”),毕奥于同年11月转学到那里。加斯帕尔·蒙日,巴黎综合理工学院的创始人之一,教授第一批学生,很快意识到了毕奥的潜力。然而,毕奥很快卷入学生政治,并被任命为部门领导。保皇党对国民公会发动了一次未遂起义,毕奥参与其中。他被政府军俘虏并成为囚犯。如果不是加斯帕尔·蒙日,他无法看到拥有如此才华的人留在监狱,甚至死亡,成功恳求释放他,他前途光明的职业生涯可能就此结束。考虑到他生活在法国大革命时期的危险时代,他第二次接近死刑判决并不令人惊讶。他回到巴黎综合理工学院继续学业,与同学西莫恩·德尼·泊松结交,并于1797年毕业。他在西尔维斯特·佛朗索瓦·拉克鲁瓦那里找到了赞助人,后者在帮助毕奥发展职业生涯方面极具影响力。

1797年,他成为博韦瓦兹中央学校的数学教授。即使像毕奥这样有能力的人,从本科生直接成为教授,似乎也令人瞩目。然而,事情对他有利[7]:-

1795年2月25日的一项法律中,国民公会呼吁建立中央学校体系,每个大城市设一所,以取代旧制度下的中学,作为中等教育的场所。新学校的课程实用而现代,包括两年专攻数学、实验物理和化学。这些科目以前从未在高中阶段教授过,因此,合格教师短缺是不可避免的。

毕奥在巴黎综合理工学院学习期间,通过他与Barnabé Brisson的友谊得知了数学教授职位的空缺,Barnabé Brisson是安托万 François Brisson de Beauvais的儿子。通过Barnabé Brisson,毕奥认识了他的妹妹Gabrielle。尽管Gabrielle只有十六岁,他们还是在1797年毕奥在Beauvais就职后不久结婚了。毕奥教Gabrielle数学和物理,以便她能将Ernst Gottfried Fischer的德文文本翻译成法文。是Claude Louis Berthollet请毕奥进行翻译,该译本于1806年以Physique mécanique (力学物理)出版。毕奥的妻子受过良好教育且德语流利,因此她的翻译非常出色。然而,按照当时的惯例,书中记录毕奥本人为译者,而非他的妻子。毕奥和他的妻子有一个儿子Édouard Constant 毕奥,生于1803年。

毕奥主要是通过西尔维斯特·佛朗索瓦·拉克鲁瓦被任命到博韦瓦兹的,西尔维斯特·佛朗索瓦·拉克鲁瓦在他工作的最初几年经常给他建议。然而,他也设法从皮埃尔·西蒙·拉普拉斯那里获得了职业上的支持。事实上,在1799年底,毕奥联系了皮埃尔·西蒙·拉普拉斯,后者曾在巴黎综合理工学院教过他,并提出校对当时在出版商手中的Mécanique céleste (《天体力学》)。当皮埃尔·西蒙·拉普拉斯说“不用了,谢谢”时,他并没有放弃,而是以礼貌的方式坚持,最终皮埃尔·西蒙·拉普拉斯同意了。此时,毕奥是巴黎综合理工学院的入学考官,因此经常在巴黎。他写道[7]:-

从那时起,每次我去巴黎,我都会带上我的校对工作,亲自呈交给M 皮埃尔·西蒙·拉普拉斯。他总是和蔼地接收,审阅并讨论,这给了我机会向他提出那些阻碍我的难题。他解释这些问题的意愿是无限的。但即使是他,也不能总是不停下来思考很久就做到。这通常发生在他使用了“很容易看出”这一权宜说法的地方。

当然,毕奥所需付出的努力是巨大的。他在1799年末写道[7]:-

我把所有时间都花在这项工作上[校对《天体力学》],我觉得它在好几个方面都很重要,我希望我成功了。我像魔鬼一样工作以按时完成它,最后一天我连续工作了十八个小时,不吃不喝。终于,谢天谢地,它完成了,我可以自夸说我理解了《天体力学》。如果这是我从中得到的唯一好处,那也已经很多了。

皮埃尔·西蒙·拉普拉斯也对毕奥正在进行的数学研究感兴趣,并在材料以及如何发表方面给了他建议。1800年,他被任命为法兰西公学院的数学物理教授,这一任命主要归功于皮埃尔·西蒙·拉普拉斯的影响。1800年,毕奥当选为研究所第一级的通讯院士,接替1799年12月去世的J.É. 蒙蒂克拉。在这次选举中,皮埃尔·西蒙·拉普拉斯的支持对毕奥再次至关重要。1803年1月,研究所进行了重组,让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔成为终身秘书,在数学部创造了一个空缺。尽管毕奥在1800年之前已经写出了优秀的数学回忆录,但从那时起他就专注于实验物理学。然而,大概是为了提高他在数学部获得一席之地的机会,他就在选举即将举行之前提交了一篇关于等时曲线轴的回忆录。这足以保持他很高的数学声誉,他于1803年4月11日当选。

第一次以科学为目的的气球升空是由毕奥和Joseph-Louis Gay-Lussac于1804年8月24日从艺术与工艺学院的花园进行的。他们达到了4000米的高度,并测量了不同高度大气的磁、电和化学性质。1806年,再次在皮埃尔·西蒙·拉普拉斯的支持下,毕奥被任命为经度局的天文学助理,此外还担任其他职务。同年9月3日,他与弗朗索瓦·阿拉戈出发前往巴利阿里群岛的福门特拉岛,以完成早先在那里开始的关于计算子午线弧长的工作。1808年5月,拿破仑宣布其兄约瑟夫·波拿巴为西班牙统治者,独立战争爆发时,他们仍在进行测量。毕奥和弗朗索瓦·阿拉戈一定显得极其可疑;两个法国人带着精密的测量仪器在西班牙领土上工作。毕奥立即逃回法国。1808年晚些时候,他与Claude-Louis Mathieu一起,开始了一系列对子午线上不同点秒摆长度的测量,特别是在波尔多和敦刻尔克。Mathieu和毕奥都因这项高度精确的工作于1809年获得了Académie des Sciences的奖项,并于1812年因他们的成就再次获得科学院的奖项。1809年,毕奥被任命为理学院的物理天文学教授。他担任这一职位超过五十年。

毕奥研究了广泛的数学主题,主要是在应用数学方面。他在应用方面在天文学、弹性、电学和磁学、热学和光学方面取得了进展,而在纯数学方面,他也在几何学方面做了重要工作。他与弗朗索瓦·阿拉戈合作研究气体的折射性质。毕奥与菲利克斯·沙伐一起发现,电流通过导线时产生的磁场强度与距导线的距离成反比。这现在被称为毕奥-菲利克斯·沙伐定律,是现代电磁理论的基础。莫里斯·克莱因在评论[8]时写道:-

毕奥完全依靠实验来确定磁铁与直线电流的相互作用,然后推断出关于电流与磁铁之间力的数学定律。

光是毕奥投入时间最多的主题,他做出了晶体物体旋转偏振定律的重大发现。发现这些定律后,他用它们来分析糖溶液,使用他发明的一种称为偏振计的仪器。由于这项关于通过化学溶液的光的偏振的研究,他于1840年被授予伦敦皇家学会的伦福德奖章。他已于1815年当选为皇家学会的外籍院士。

他的重要著作之一是Mémoire sur la figure de la terre (关于地球形状的论文)(1827年),描述了地球的形状。在他的其他主要著作中,我们提到:Analyse de la mécanique céleste de M Laplace (M 皮埃尔·西蒙·拉普拉斯的天体力学分析)(1801年);Traité analytique des courbes et des surfaces du second degré (关于二次曲线与曲面的分析论著)(1802年);Recherches sur l'intégration des équations différentielles partielles et sur les vibrations des surfaces (关于偏微分方程积分与曲面振动的研究)(1803年);Essai de géométrie analytique appliqué aux courbes et aux surfaces de second ordre (应用于二次曲线与曲面的解析几何论著)(1806年);Recherches expérimentales et mathématiques sur les mouvements des molécules de la lumière autour de leur centre de gravité (关于光分子绕其重心运动的实验研究与数学)(1814年);Traité de physique experimentale et mathématique (实验物理与数学论著)(1816年);Precis de physique (物理学概要)(1817年);(与弗朗索瓦·阿拉戈合作)Recueil d'observations géodésiques, astronomiques et physiques exécutées en Espagne et Écosse (在西班牙和苏格兰收集的大地测量、天文和物理观测集)(1821年);Mémoire sur la vraie constitution de l'atmosphère terrestre (关于地球大气的真实构成的论文)(1841年);Traité élémentaire d'astronomie physique (物理天文学基础论著)(1805年);Recherches sur plusieurs points de l'astronomie égyptienne (关于埃及天文学若干点的研究)(1823年);Recherches sur l'ancienne astronomie chinoise (关于古代中国天文学的研究)(1840年);Études sur l'astronomie indienne et sur l'astronomie chinoise (印度与中国天文学研究)(1862年);Essai sur l'histoire générale des sciences pendant la Révolution (关于大革命期间科学通史的论著)(1803年);Discours sur Montaigne (关于蒙田的讲座)(1812年);Lettres sur l'approvisionnement de Paris et sur le commerce des grains (关于巴黎供给与粮食贸易的信件)(1835年);Traite d'astronomie physique (物理天文学论著)(1850年);以及Mélanges scientifiques et littéraires (科学与文学笔记)(1858年)。

他曾两次尝试担任Académie des Sciences的秘书一职,为了提高当选该职位的机会,他撰写了Essai sur l'Histoire Générale des Sciences pendant la Révolution。然而,他在1822年输给了约瑟夫·傅里叶,随后在1830年5月约瑟夫·傅里叶去世时,他再次申请秘书职位,这一次又输给了弗朗索瓦·阿拉戈弗朗索瓦·阿拉戈与毕奥之间的竞争在1839年再次显现,当时不同的摄影工艺正在竞争[10]:-

弗朗索瓦·阿拉戈和毕奥,法国光学领域的顶尖权威,在过去三十年里一直就光学仪器再现世界的能力存在分歧。摄影成为他们又一个产生分歧的机会,而他们并未回避这一任务。这场辩论超越了优先权归属和功劳分配的问题。其核心在于摄影表面显示了什么,可见的印记与真实世界之间存在何种关系。

弗朗索瓦·阿拉戈支持使用银板的达盖尔摄影工艺,而毕奥则拥护由威廉·亨利·福克斯·塔尔博特开发的用浸泡过银溶液的纸张的方法。这并不是因为他认为这种方法能产生更清晰的照片,而是因为他相信这些图像捕捉到了肉眼不可见的“化学辐射”。我们应当注意,“化学辐射”这一概念在当时被广泛相信。毕奥还认为摄影工艺应当保留给科学用途,而不应供公众使用。毕奥和威廉·亨利·福克斯·塔尔博特之间曾有一段合作时期,两人频繁通信。基本上,摄影工艺成为毕奥用于研究光的又一工具,而光一直是他主要的兴趣所在。

除了对几乎每一个科学分支的兴趣外,毕奥还对该学科的历史感兴趣。他出版了关于这一主题的著作,如:Essai sur l'histoire générale des sciences pendant la Révolution française (关于法国大革命期间科学通史的论著)(1803年);Notice historique sur la vie et les ouvrages de Newton (关于艾萨克·牛顿生平与著作的历史札记)(1822年);Recherches sur plusieurs points de l'astronomie égyptienne appliquées aux monuments astronomiques trouvés en Égypte (关于应用于埃及发现的天文纪念碑的埃及天文学若干点的研究)(1823年);Sur la manière de calculer les positions des étoiles relativement à l'équateur et à l'écliptique pour les époques anciennes (如何计算古代恒星相对于赤道和黄道的位置)(1823年);Opuscule sur l'Astronomie ancienne des Chinois, des Indous et des Arabes (关于古代中国、印度和阿拉伯天文学的小册子)(1840年);Mémoire sur le Zodiaque de Denderah (关于丹德拉黄道带的论文)(1844年);Précis de l'histoire de l'Astronomie planétaire (行星天文学史概要)(1847年);以及Études sur l'astronomie indienne et l'astronomie chinoise (印度天文学与中国天文学研究)(1862年)。

在[4]中,圣伯夫说毕奥最高程度地具备所有好奇心、精细、洞察、精确、巧妙分析、方法、清晰等品质,简言之,具备所有主要和次要品质,只差一个,天才,即原创性和发明意义上的天才。

Olinthus Gregory在1821年的一段形成对比的评论是:-

关于M 毕奥,当我们在泽特兰[=设得兰]群岛共处时,我有机会相当充分地了解他的性格;我毫不犹豫地说,我从未见过像他的性格中所展现的那样,由虚荣、冲动、反复无常和天生的偏袒构成的奇特混合体。

除了我们上面提到的荣誉之外,毕奥还于1814年被授予荣誉军团骑士勋章,并于1849年被授予指挥官勋章。他于1841年当选为铭文与美文科学院院士,并于1856年当选为法兰西学院院士。

参考文献

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