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数学家传记

拉扎尔·卡诺Lazare Carnot

出生
1753年5月13日 法国勃艮第诺莱
逝世
1823年8月2日 普鲁士萨克森马格德堡(今德国)

拉扎尔·卡诺最著名的是作为几何学家。1803年,他出版了《位置几何学》,其中首次在几何学中系统地使用了有向量。

完整传记

拉扎尔·卡诺是Claude Abraham Jean Jacques Carnot(1719-1797)和Magdelaine Marguerite Pothier(1726-1788)的儿子。Claude Carnot是Nolay的一位主要公民,是Nolay侯爵领地的公证人、法官和法警。Nolay侯爵领地是在法国亨利四世(1553-1610)时期创建的。卡诺的祖父是Jean Carnot(1672-1735),一位公证人和财政检察官。Claude和Marguerite Carnot于1745年结婚,育有十七个孩子,包括Joseph-François-Claude Carnot(1852-1835)、卡诺(1753-1823,本传记的主人公)和Claude-Marie 卡诺 Feulins(1755-1836)。此时让我们注意,Joseph-François-Claude Carnot成为了一名法学家,是最高法院的成员(1801-1835),于1832年当选为道德与政治科学院院士,并成为荣誉军团军官。Claude-Marie 卡诺 Feulins是一名士兵。他是1791年立法议会的代表,1815年百日王朝期间的代表,以及1815年法国执行委员会的临时专员。这个比卡诺小两岁的兄弟,在他的兄弟姐妹中与他最亲近,他们变得形影不离。我们刚才提到的卡诺的两个兄弟都出版了几本书。我们提到的他的亲属中没有一个叫卡诺,但这是一个家族姓氏。他是[8]:-

……以一位叔叔的名字命名,这位叔叔是索邦大学的一位博学博士,也是Chalon教区的副主教。

卡诺的初等教育最初由M Masson负责,后由M Boisson负责,两人都是优秀的拉丁语学者,地点在Nolay的小学院。在他们的教导下,他达到了修辞学第二班。1767年,他十四岁时,卡诺和他的哥哥被送到Nolay正西约25公里的Autun。他在Autun寄宿在Mme Gondier家,并在奥拉托利会学院Collège d'Autun学习修辞学第三年,研习哲学和古典学。在Collège d'Autun学习一年后,他进入Autun的苏尔皮斯神学院。这所小型神学院由圣苏尔皮斯神父会管理,强调学术工作。在这里,卡诺学习数学、逻辑学和神学,他的老师是Abbé Bisson。他在Autun期间,当地爆发了天花疫情,卡诺也受到感染,但由于Mme Gondier和他的医生M Lhomme,他很快康复,学业几乎没有受到影响[8]:-

1768年,他在拉丁语的公开考试中表现出色,在论文答辩时拒绝接受老师们通常的协助,面对学识渊博的公开考官、他医生的妻子Madame Lhomme提出的反对意见。此时这个男孩非常虔诚,以至于他的某些亲戚建议他从事圣职。

卡诺的父亲Claude为Duke D'Aumont、Nolay侯爵工作,公爵对卡诺印象非常深刻,并觉得圣职不是他应该走的道路,于是向他的父亲建议,他的儿子会从军事生涯中受益。公爵提出联系战争部,允许卡诺进入工程兵部队,尽管最近有限制进入人数的举措。他开始在巴黎Marais地区的Louis-Siméon Mausserat de Longpré学校学习。当时巴黎有两所预备学校,为男孩们提供工程、炮兵和海军方面的培训。Mausserat de Longpré的学校是两所中较小的,但被认为学术上更强。学校校长与让·勒朗·达朗贝尔非常友好,正如卡诺的儿子Hippolyte Carnot(1801-1888)在[3]中所解释的:-

这位著名的院士会来坐在学生中间,喜欢通过向他们提出令人尴尬的问题来锻炼他们的智力。他注意到了年轻的卡诺……并预言他会取得巨大成功。我父亲终生怀着感激之情回忆与让·勒朗·达朗贝尔的谈话和鼓励,他将自己科学发展的显著影响归功于让·勒朗·达朗贝尔

1771年2月,卡诺参加了进入工程学校的入学考试,在[8]中排名第三:-

……在参加考试的一百一十五人中,卡诺被任命为Mézières工程学校的少尉。他当时十八岁。考官这样评价他:一个极有前途的人,非常聪明,出色地掌握了他的课程。

卡诺在梅济耶尔的工程学院由加斯帕尔·蒙日等人教授。在梅济耶尔,他的课程包括几何学、力学、几何设计、地理学和水力学。大约在这个时候,他遇到了本杰明·富兰克林,后者于1772年访问法国,当时他是美国驻英国的特使,寻求法国对美国独立的支持。这段友谊对卡诺政治思想的发展很重要,几年后,他将这些思想付诸实践。

他于1773年从学校毕业,于2月13日离开。随后他开始了军事生涯,被任命为孔代亲王工程兵团的中尉。他很快以防御工事和飞艇方面的专家而闻名。他后来在这两个主题上都发表了重要著作。他还继续学习数学。

1778年,他写了Essai sur les machines en général(《论一般机器》),并将其提交参加竞赛以争取奖项。他在1781年修订了它,最终于1783年出版。它涉及力学和工程领域。序言开头写道:-

尽管这里讨论的理论适用于所有关于运动传递的问题,但这本小册子被命名为“论一般机器”;首先,因为我们主要关注的是机器,作为力学最重要的对象;其次,因为不涉及任何特定的机器,而只涉及所有机器共有的性质。这一理论基于三个主要定义;第一个定义着眼于某些运动,我称之为几何运动,因为它们只能由几何学原理确定,并且绝对独立于动力学规则;我不认为我们能轻易地舍弃它,而不在主要比例的陈述中留下一些可疑之处,正如我特别为勒内·笛卡儿原理所展示的那样。通过我的第二个定义,我试图确定 soliciting force 和 resistant force 这两个术语的含义:在我看来,如果没有对这些不同力进行明确区分,就无法在机器中清晰地将原因与效果进行比较;而正是这种区分,在我看来,总是有些模糊和不确定。

1783年,他出版了Éloge de Vauban(《向沃邦致敬》)。在1778年12月3日的会议上,第戎科学院、艺术与文学学院为1784年的文学竞赛提出了“Éloge du Maréchal Vauban”。塞巴斯蒂安,沃邦侯爵(1633-1707),被认为是法国领先的工程师,其防御工事体系在他那个时代被认为是最好的。沃邦来自勃艮第,第戎科学院认为他应该得到比贝尔纳·勒布耶·德·丰特奈尔巴黎科学院中给予他的更好的颂词。卡诺,也来自勃艮第,现在是防御工事专家,参加了第戎科学院的竞赛。卡诺,现在是阿拉斯驻军中皇家工程兵团的队长,于1784年8月2日获得了两枚金牌和科学院的奖项,颁奖由孔代亲王亲自进行。卡诺的Éloge de Vauban(《向沃邦致敬》)因其热情、表达的温暖和同情心而受到赞扬,他被描述为博学且雄辩。卡诺回复亲王[26]:-

殿下,被一位名叫孔代的英雄加冕是非常甜蜜的,您手中分发的桂冠,正如装饰您威严额头的那些,是永不凋谢的品种。

让我们引用Éloge de Vauban(《向沃邦致敬》)(例如,见[17]),因为我们在那里发现了关于卡诺的性格和他对国家的态度的事情:-

一个智者能收获自己作品的果实,这是多么罕见啊!他超越了自己的时代,他的话语只能被后人所理解;但这对他而言已是足够的支持;他的想象力穿透了错误的阴影;他是尚未出生之人的朋友,他在最深入的研究中与他们交谈;作为公民,他关注自己的民族,他的希望寄托于它,他为它的成功而喝彩;他参与它的胜利;作为哲学家,他已经跨越了分隔帝国的边界。他没有敌人,他是所有地方的公民,是所有时代的同代人;他从人类脆弱的起源一直陪伴到其最终的完善。

以下是Éloge de Vauban (向沃邦致敬)[43]中关于几何学的一段引文:-

有一种几何学比欧几里得的几何学更为精妙。这种[新的]自然几何学就是天才本身应用于度量科学。……正是通过这样一种自然几何学,人在任何计算之前就能看到——尽管如同在雾中——一个新假设的结果。这种自然几何学进行创造,另一种只是清理;没有前者,后者便毫无用处。

马克·勒内,蒙塔朗贝尔侯爵(1714-1800)曾改进了沃邦的防御工事,但如今卡诺因改进蒙塔朗贝尔的思想而迅速赢得声誉。1787年,他当选为第戎科学院院士。

1787年5月25日,卡诺在阿拉斯科学院发表演讲,我们再次从中了解到关于他的许多信息[17]:-

只有一种真正可行的道德,那就是教导我们从人类的共同利益中引出我们自身利益的道德。……通过服务于人类共同利益的习惯,通过美德的持续实践,公民达到了一种只有其实践本身才能给予的愉悦。……这是唯一一种不会因时间而陈旧、反而具有通过其实现而自我增长的独特优势的愉悦。当你行善时,你总是想做更多,你总是知道还有更多要做,你永远无法满足。

1789年爆发了法国大革命,同年5月法国成为君主立宪制国家,随后7月14日攻占巴士底狱。这见证了卡诺进入政治舞台。他于1791年当选为立法议会成员,并被任命为公共教育委员会成员。他致力于教育改革,基于他所有公民都应有权接受教育的信念。革命后的混乱动荡使得他的任何改革在当时都无法实施。

在此期间,卡诺于1791年5月17日与Marie Jacqueline Sophie Josèphe Dupont(1764-1813)结婚。这桩婚姻是由相当不寻常的一系列情况促成的。Claude-Marie 卡诺,即卡诺的弟弟,于1790年5月11日在加来海峡省的Saint Martin au Laërt与Marie Adélaïde Françoise Josèphe Dupont(1766-1854)结婚。她是Jacques Antoine Léonard Dupont,Moringhem领主(1731-1808)的女儿,他是一名律师,母亲是Marie Anne Françoise Sevault(1739-1807)。卡诺于1790年9月10日从马上摔下伤了腿,他的妻妹Marie Jacqueline Sophie Josèphe Dupon照料他直到康复,八个月后他们结婚了。他们有三个儿子:萨迪·卡诺,一位重要的数学家,本档案中有其传记,生于1794年7月19日;Nicolas Léonard Sadi Carnot生于1796年6月1日,他成为一名研究热力学的物理学家;以及卡诺 Hippolyte Carnot,生于1801年4月6日,他成为一名记者,后来成为公共教育部长和道德与政治科学院院士。在此我们注意到,Hippolyte Carnot撰写了文章[3],而Hippolyte的儿子Marie François Sadi Carnot从1887年起担任法国总统,直到1894年遇刺身亡。

当立法议会解散后,卡诺于1792年当选为国民公会成员[44]:-

从1792年9月到11月,卡诺作为公会的特使在比利牛斯山。返回后,他提出了关于这个原本落后的山区经济发展的建议(发展其纺织工业),以便它能够摆脱英国的控制。

他在1793年4月后指挥北方军团,同年成为总防御委员会的主要成员和公共安全委员会成员,这意味着他负责规划军事行动。1793年9月,当冯·科堡将军率领的盟军威胁要向巴黎推进时,卡诺亲自前往前线[44]:-

卡诺作为公共安全委员会成员,从附近站着的士兵手中夺过一支步枪,穿着便服,仅凭帽子上插着的大羽毛辨认,他亲自率领部队发起进攻。格拉蒂安将军认为这次进攻过于大胆,因此卡诺在战场上当场下令逮捕他。这次进攻的心理效果是毁灭性的。科堡第二天向北撤退,巴黎得救了。

1794年9月,在卡诺和加斯帕尔·蒙日的指导下,成立了一所名为“中央公共工程学校”的“大学校”,但其名称在次年改为“巴黎综合理工学院”。

卡诺现在将他的军事战略付诸实践,导致法国击败了盟军。该战略的一部分涉及增强军事力量,但他也致力于其他方式以确保法国获胜,例如争取普鲁士中立以及破坏奥地利与英格兰之间的通信。法国取得了显著胜利,占领了荷兰。这种极为成功的军事领导使卡诺被称为“胜利的组织者”。1794年由保罗·巴拉斯领导的政变结束了恐怖统治,在卡诺的影响下,罗伯斯庇尔被罢免。然而,对卡诺来说,现在一切并不顺利,因为他强烈反对巴拉斯的政策,特别是在他镇压巴黎人民起义时。卡诺因反对巴拉斯而辞去公共安全委员会职务,但在1795年4月11日重新掌权,成为督政府成员,这是一个五人统治委员会。1796年4月30日,他当选为督政府主席。

1797年对卡诺来说是多变的一年。在这一年,他出版了他的著名著作Réflexions sur la métaphysique du calcul infinitésimal (关于微积分形而上学的思考)。这本书是卡诺在1786年提交给柏林科学院奖的论文的扩展版本,但未能获奖,该奖授予了Simon Lhuilier。这本书的广告以以下文字开头:-

然而,由于一切迹象表明数学文化将出现新的转向,作者认为出版这本专著是恰当的。

托瓦尔·尼古拉·蒂勒写道,卡诺的数学方法强烈地显示出他的工程背景。在[49]中,他写道,卡诺:-

... 只接受数学表达式,只要其中包含的量是实数且所涉及的操作有意义。... 对卡诺来说,负量是不可能的,而零,就像无穷大一样,是一个极限。... 无穷小量是真实的对象,可以表示为极限之间的差 ...

Jacques Harthong对卡诺的贡献[33]持更为积极的看法:-

本书的主要兴趣在于揭示一个非常普遍的观念的谬误:即无穷小卡尔·魏尔斯特拉斯只有借助卡尔·魏尔斯特拉斯才可能变得完全严格(也就是说,仅基于逻辑而不诉诸直觉或天赋)。诚然,卡尔·魏尔斯特拉斯的观点在今天占主导地位;它也的确提供了一种令人满意的方法;但同样真实的是,卡诺的观点(此外,他很大程度上得益于约瑟夫·拉格朗日)本可以提供一种同样令人满意的方法,而历史最终做出的选择必须另寻解释。事实上,卡诺提供了一种真正的公理化方法。

关于由牛津大学彭布罗克学院会士、文学硕士W R Browell牧师翻译、于1832年出版的英译本的摘录,见THIS LINK

同年,即1797年,在皮埃尔·奥热罗发动政变之后,法国的政治局势变得使他无法再坚持其强烈的共和主义观点。1797年9月3日至4日夜间[35]:-

……一队士兵(包括炮兵),在巴拉斯窗下(紧邻卡诺在卢森堡宫的住所,督政官们在那里有他们的公寓)集结后,来到卡诺的前门,同时身份不明的“刺客”在后花园等待。卡诺命令另一位督政官的部队驱散刺客,让他的兄弟拖住前来逮捕他的卫兵,然后从卢森堡花园一个鲜为人知的小门溜走,流亡他乡。

卡诺逃往瑞士,随后前往德国的纽伦堡。

1800年,卡诺在拿破仑的允许下返回法国。拿破仑于1799年成为第一执政。卡诺成为拿破仑·波拿巴的战争部长,为期五个月,并被进一步提升为中将。然而,在1802年5月,他投票反对让拿破仑成为终身执政的提议。1804年12月2日,拿破仑在巴黎圣母院加冕为皇帝。卡诺的共和主义观点使他无法继续任职,他退出了公共生活。

卡诺最为人所知的是作为几何学家。1801年,他出版了De la correlation des figures de géométrie(几何图形的相关性),在其中他试图将纯几何置于一个普遍的框架中。他证明了欧几里得Elements中的若干定理可以从一个单一定理建立起来。在这部1801年的著作中,卡诺就分析与综合之间的区别提出了一个独创性的想法。根据他的观点,两者的区别在于,在综合中:-

……人们只能对真实而有效的对象进行推理……

而在分析中,

……我们承认不存在的对象;我们用符号表示它们,也像表示真实的东西一样。我们把真实的存在与理性的存在混在一起;然后通过有条理的变换,我们设法在计算中消去或排除后者:于是公式中不可理解的东西消失了;剩下的东西,一种精细的综合必定能够揭示出来。但这一结果往往是通过一条更短、更容易、几乎纯机械的途径得到的,而若用别的方法去达到它,则要付出惊人的努力。这就是分析的优势,因而也是近代人胜过古代人的优势。

1803年,他出版了Géométrie de position(位置几何学),其中首次在几何学中系统地使用了有向量。这部著作大大扩展了他1801年的工作,在其中卡诺再次表明量对他意味着什么,他写道:-

每一个量都是一个真实的对象,使得心灵能够把握它,或者至少能把握它在计算中的表示。

卡诺在导言中写道:-

这部著作的标题可能会让几何学家想起,著名的哥特弗里德·威廉·莱布尼茨曾构想过一种“位置分析”的思想;这一思想并未真正得到发展。……我关于位置几何学的工作不同于“位置分析”;尽管它与后者类似。哥特弗里德·威廉·莱布尼茨希望我们在表达一个几何问题的条件时,把所比较图形相应部分的多种位置纳入其中,以便通过用一种非常独特的特征把它们区分开来,我们就能在计算中更容易地把它们分离出来。如今,这种位置的多样性常常通过符号的简单变化来表达;而正是关于这些变化的理论,构成了我所设想的研究的基本主题,我把它称为“位置几何学”。

他还在1803年出版了Principes fondamentaux de l'équilibre et du mouvement (《平衡与运动基础》)。

卡诺的军事杰作De la défense des places fortes (防御要塞)于1809年出版。他后来担任安特卫普的军事总督,但在拿破仑于滑铁卢最终战败后,他流亡国外。他先前往华沙,随后逃往马格德堡,于1816年11月抵达马格德堡。

随着第一台蒸汽机于1818年运抵马格德堡,卡诺的兴趣转向了蒸汽机。他的儿子萨迪·卡诺于1821年在马格德堡探望了他,显然卡诺影响了他的儿子。萨迪·卡诺三年后出版了他关于蒸汽机热力学的杰作。

让我们以[34]中的这段话作为结束:-

当法国面临其最黑暗的危机、失败几乎已成定局之时,卡诺设法把失败转变为胜利。他做到这一点,是靠展现领导中的“卓越”,是靠对军事战争进行一场革命,动员法国最优秀的科学家,利用巴黎综合理工学院为法国公民的广泛教育奠定基础,同时把他自己在机床和机器制造领域对新科学原理的发现加以运用,从而为法国乃至整个欧洲的工业与技术革命奠定基础。

卡诺确信,组织民族和人民、提升公民使其成为真正建国者的关键,基于领导的道德品质,而这种卓越并非基于对理论和书籍的学术知识,而是尤其在危机、战争和胁迫的条件下显现出来。建国最大的资源和力量,是个体那自主而富有创造力的心灵;面对未知——面对挑战习俗意见的障碍和悖论——这种心灵被迫去寻找创造性的侧翼和大胆的解决方案。卡诺说:“环境有时会在我们身上发展出我们未曾想到其萌芽的才能,使我们的灵魂更伟大,并赋予我们的灵魂以能量。”在他最优秀的将军中,他选择25岁或30岁的人,把责任放在他们肩上,信任他们的想象力和大胆。

那种对于克服障碍和作出发现不可或缺的心灵的情感品质,就是卡诺所称的“热情”——激情。据他的儿子Hippolyte说——他写下了关于其父最有洞见、最精彩的传记——“伟大的激情是伟大整体的灵魂。”“激情是世界上一切美与伟大的唯一原则。”在一首题为《热情颂》的诗中,卡诺写道:

热情,对美的爱!
高贵火焰的原则。……
你不是狂乱的沉醉,
你不是冰冷的理性;
你走得比智慧更远,
却没有超出它的范围。
微妙的本能,它先于
审慎的劝告
和判断的计算。

没有“热情”,就永远不可能在科学或艺术中有创造性的发现。卡诺把心灵的那种创造能力称为“自然几何”,凭借一瞥(coup d'oeil),或一眼,凭借“艺术性的机巧”,心灵形成新的假设。

参考文献

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