数学史 · 中文镜像

数学家传记

让-夏尔·德博尔达Jean-Charles de Borda

出生
1733年5月4日 法国达克斯
逝世
1799年2月19日 法国巴黎

让-夏尔·德博尔达是一位法国士兵和数学家,发明了一种重要的测量仪器。

完整传记

让-夏尔·德博尔达出生于法国西南部的达克斯镇。该镇是一个著名的温泉疗养地,位于阿杜尔河畔,在比利牛斯山脉和西班牙边境以北约80公里处。他的父母是德博尔达-路易·安托万 德博尔达,拉巴蒂领主,和Marie-Thérèse de la Croix。他们都出身贵族,家族有着可追溯许多代的强大军事联系。德博尔达-安托万和Marie-Thérèse有十六个孩子,八个男孩和八个女孩。Charles有五个哥哥和四个姐姐。Charles的大多数兄弟后来都从事军事职业,但至少有一个是教会中的教士。家族中还有另一位成员,他的表兄Jacques-François 德博尔达,他在Charles的成长过程中对他产生了重大影响。Jacques-François也出生在达克斯,在Charles出生时他十五岁。Jacques-François对数学和科学充满热情,并与他那个时代的顶尖数学家保持联系。他教导年幼的Charles,而Charles从很小的时候就表现出对学习科学的极大热情。

七岁时,Charles进入达克斯的巴拿巴会学院。巴拿巴会是16世纪创立的一个宗教修会,得名于米兰古老的圣巴拿巴教堂,他们致力于研究圣保罗书信。在学院里,他学习希腊语、拉丁语直到十一岁,但他从巴拿巴会士那里学到的数学或科学很少。在这个阶段,是Jacques-François鼓励Charles的父亲把他十一岁的儿子送到一所能学习数学和科学的学院。一个自然的选择是拉弗莱什的耶稣会学院,该校为男孩们从事军事工程、法律和公务员职业做准备。德博尔达被送到那里,学习古典学、科学、数学和形而上学,遵循一条通向军队职业生涯的课程。

1748年,当他十五岁时,德博尔达在拉弗莱什完成了学业。那里的耶稣会士极力鼓励他加入他们的修会,但这对他没有吸引力,因为他对宗教兴趣不大,他回到父母家中,试图说服父亲让他从事军事工程兵团的职业。尽管家族有着强大的军事联系,德博尔达的父亲曾希望他成为一名地方法官,但他允许儿子追随自己的意愿,在这个阶段,德博尔达开始了作为军队数学家的职业生涯。

1753年,二十岁的德博尔达完成了他第一篇关于几何学的论文,并寄给了让·勒朗·达朗贝尔。两年后,他获得了第一个数学家的职位,在轻骑兵团任职。在这个职位上,德博尔达进行了弹道学研究,并于1756年5月29日向巴黎的Académie des Sciences提交了一篇研究抛射体理论的论文。凭借这项工作,他于当年当选为Académie的通讯院士。后来,他当选为Académie的正式院士。

七年战争始于1756年,1757年7月法军在汉诺威的哈斯滕贝克战役中击败了坎伯兰公爵。德博尔达在这场战役中担任马耶布瓦元帅的副官。正是在这个时候,他的兴趣转向了海洋,并于1758年9月4日进入梅济耶尔的工程学校。他入学的课程本应持续两年,但德博尔达在一年内完成了它,然后继续作为海军军事工程师的职业生涯。他的数学工作进展顺利,1762年他证明了球形抛射体所受空气阻力仅为相同直径圆柱形物体的一半。他还证明了阻力大约与速度的平方成正比[1]:-

……他证明了艾萨克·牛顿的流体阻力理论是站不住脚的,并且阻力与流体速度的平方以及入射角的正弦成正比。他[还]……计算了从孔口流出的流体收缩系数。德博尔达对[能量]守恒原理的运用很重要,是拉扎尔·卡诺在力学中工作的先驱。

在描述他对流体力学的贡献时,我们还应该注意到他对水轮和水泵研究的贡献。

1765年至1775年间,德博尔达多次横渡大西洋。他的工作既有军事性质,也有科学性质,常常将这两方面结合在他的水文地理学和制图学工作中,绘制了亚速尔群岛和加那利群岛的海图。1771年,他被派乘坐护卫舰“La Flore”号进行科学航行,进行研究以改进计算经度的方法,并测试某些航海天文钟。美国独立战争于1776年开始,两年后法国加入了对英国的冲突。法国和英国是主要的殖民大国,正是由于这些问题,他们在早期的七年战争中相互交战。法国和英国在美国独立战争期间为争夺海洋控制权而战,德博尔达深度参与了法国海军的行动。法国舰队由查尔斯-埃克托尔·德斯坦伯爵指挥,德博尔达担任“La Seine”号舰长并指挥几艘舰船。舰队在加勒比海和美国海岸附近航行,取得了一些显著胜利,但德斯坦伯爵在1779年10月进攻萨凡纳失败时受重伤,他带着他的中队返回法国。德格拉斯伯爵接管了法国舰队的指挥,并再次取得了重要胜利,但他在1782年于多米尼加附近的海圣斯战役中失利。德博尔达担任“la Solitaire”号舰长,并在这场战役中指挥六艘舰船。他和舰队领袖德格拉斯都被英国人俘虏。不久之后,德博尔达获准返回法国,但在此事件之后,他的健康状况每况愈下。

德博尔达很好地利用了微分学和实验方法来统一物理学的各个领域。他还结合他的测量技术开发了一系列三角函数表。他从事流体力学研究,研究了许多不同情况下的流体流动,如船舶、火炮、泵和科学仪器。他的一个仪器,德博尔达复测圆,在法国大革命时期被用来测量子午线弧长,作为引入十进制系统项目的一部分。这个仪器是由德博尔达在1785年左右提出的,它是从为船上使用而设计的仪器发展而来的。

德博尔达复测圆由两个小望远镜组成,每个望远镜都固定在一个环上,这些环可以独立地相对于刻度旋转。为了测量两点AABB之间的角度,仪器的设置使得旋转环的平面位于A,BA, B和观察者所在的平面内。旋转一个望远镜直到它瞄准AA,其圆相对于刻度固定,然后旋转第二个望远镜以瞄准BB。在这个阶段,角度θ可以简单地读出,但现在,巧妙的部分来了。拧紧螺丝将旋转圆固定在一起,然后旋转它们,使第二个望远镜瞄准AA。当然,第一个望远镜现在与BB确定的角度相差2θ,因此,解开望远镜转动的环,并将其移回以瞄准BB,就测量了角度2θ。重复这个过程继续将θ加倍,所以理论上误差可以小到任意程度,因为最终答案除以加倍的次数来找到θ。他在Description and use of the repeating circle(1787年)中描述了这个仪器,并给出了航海应用。

德博尔达的重复圆仪图片见THIS LINK

德博尔达的重复圆仪的精度使得通过三角测量进行勘测来测定距离成为可能。当德博尔达被任命为度量衡委员会主席时,该委员会的成员包括尼古拉·德·孔多塞、拉瓦锡、皮埃尔·西蒙·拉普拉斯阿德里安-马里·勒让德,他很快便将他精确的测量仪器派上了用场。该委员会成立于1790年,旨在引入统一的度量系统。它审议了一项已向法国政府提出的建议,即以每秒摆动一次的摆的长度作为米的基础。这项建议曾得到英国和美国的支持,他们认为这是一种真正国际性的度量。然而,德博尔达于1791年3月19日报告称,委员会已决定采用不同的标准,即一米应为从北极到赤道距离的一千万分之一。他反对摆标准的论据是,它将一个单位建立在另一个本身可能变化的单位之上,而且秒本身也是一个基于将一天分为12×60×60的任意单位。德博尔达主张应将一天分为10小时,每小时分为100分钟,每分钟分为100秒。在德博尔达的领导下,使用德博尔达重复圆仪精确测量从北极到赤道距离的项目得以实施。

1793年初,政治事件似乎将使该项目无法完成,德博尔达、约瑟夫·拉格朗日皮埃尔·西蒙·拉普拉斯根据塞萨尔-弗朗索瓦·卡西尼·图里先前进行的勘测对米做出了临时估算。他们得出的数值实际上比让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔-皮埃尔·梅尚对从敦刻尔克到巴塞罗那的子午线弧的勘测所得到的数值更为精确。在1793年9月至1794年7月的恐怖统治期间,德博尔达退隐到他的家族庄园,但随后又恢复了他在米制方面的工作。

作为度量衡委员会主席,德博尔达提出了其他重要建议。其中之一是替代称量法,德博尔达对此的贡献由Jenemann在[4]中进行了评估。他写道:-

通过应用替代称量法,梁式天平的一些系统误差被消除。替代称量法在法国大革命期间出现并得到更广泛的应用,当时在德博尔达的指导下,引入了新的度量衡标准——米制和千克。

还有一个主题,德博尔达对此做出了重要贡献。尼古拉·德·孔多塞在1785年提出了一种在候选人超过两名时举行公平选举的方法。他的方法确保,如果要从nn人中选出一人,那么当选者必须在与其余n1n-1名候选人的一对一竞争中全部获胜。德博尔达觉得尼古拉·德·孔多塞的提议是公平的,但他提出这在实践中不可行,因为可能选不出获胜者。德博尔达提出了按排名给候选人打分的制度:根据排名给每位候选人相应的分数。如果有nn名候选人,选民应给他们最不喜欢的候选人1分,给下一位候选人2分,依此类推,直到他们最喜欢的候选人,给其nn票。这个提议如今常用于选举中,其缺陷是当选者可能不是任何人的第一选择。德博尔达和尼古拉·德·孔多塞之间就这两种投票制度哪种最好展开了激烈争论,但当然,由于两种制度各有优缺点,这样的争论注定没有定论。

德博尔达的一项未获支持的建议是,应将直角分为100度,每度分为100分,每分分为100秒。这样的系统需要构建新的三角函数表,德博尔达组织了这项工作。在他1804年去世后,让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔出版了Decimal trigonometrical tables,该书扩展了德博尔达的工作。

我们还应该提到德博尔达职业生涯中我们上面未提及的进一步成就。他于1767年当选为波尔多科学院院士,两年后当选为海军科学院院士。1795年,他成为经度局成员。

德博尔达在确定米长度的项目完成前不久去世。成立了一个国际委员会试图使米成为国际度量单位,但德博尔达反对这一做法,理由是测量基于地球,因此应同样为地球上每个国家所接受。他的葬礼在[3]中描述如下:-

……这位老指挥官在长期患病后去世。在大雨中,一队国际学者护送他的遗体沿着泥泞的道路上行,安葬于蒙马特之下。

参考文献

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