数学史 · 中文镜像

数学家传记

约瑟夫·佩兹瓦尔Joseph Petzval

出生
1807年1月6日 匈牙利斯皮什斯卡贝拉(今属斯洛伐克)
逝世
1891年9月17日 奥地利维也纳

约瑟夫·佩兹瓦尔是一位匈牙利数学家,他独立于皮埃尔·西蒙·拉普拉斯发明了皮埃尔·西蒙·拉普拉斯变换。

完整传记

约瑟夫·佩兹瓦尔的名字有不同版本,除了这里给出的之外,他常被称为Jozef Maximilian Petzval,但他的姓氏有时写作Pecval、Peczival或Pecivál。在给出不同版本的同时,我们还要指出,他出生的城镇是Spisská Belá,有时写作Szepesbéla。佩兹瓦尔出生时,该镇属于匈牙利,但现在位于斯洛伐克。事实上,由于欧洲这一地区历史上经历过不同民族,所有名字都有多个不同版本,我们意识到在下面给出的名字中我们并不一致。

约瑟夫是校长约翰(扬)Friedrich Petzval及其妻子苏珊娜(祖扎娜)克罗伊茨曼的儿子。苏珊娜是佩兹瓦尔和苏珊娜·克罗伊茨曼的女儿,于1776年4月20日在斯皮什斯卡贝拉受洗。约翰于1775年7月4日出生在洛德尼采,在斯皮什斯卡贝拉的福音派学校任教,并[13]:-

……对佩兹瓦尔产生了巨大影响。约翰·弗里德里希是个多才多艺的人,是一位极具天赋的音乐家、作曲家和业余机械师。他为所在地区的教堂做出了持久的音乐贡献,但也制造钢琴,为匈牙利军队改进马鞍,甚至研究过Perpetuum——一种早期的飞行器。他以非常古怪而闻名,人们常常会发现他穿着睡衣指挥教堂唱诗班。

约泽夫是他父母的六个孩子之一(实际上是七个,但有一个在婴儿期夭折)。他有一个弟弟奥托Balthasar Petzval,生于1809年1月6日。注意这个巧合:两兄弟同一天出生,但更大的巧合是第三个兄弟扬只差一天,生于1月7日,也有人说也是1月6日。1月6日是基督教的主显节,三位国王梅尔基奥、卡斯帕和巴尔塔萨在这一天探望新生的耶稣,因此约瑟夫的弟弟被命名为奥托·巴尔塔萨。毫不奇怪,这三兄弟在家里被称为“三王”。在此阶段我们注意到,Otto Petzval也成为数学教授,并出版了Elementary mathematics(匈牙利文)(1856年)和Higher mathematics(匈牙利文)(1867年)。另外三个孩子是女孩,其中一个是玛丽亚·玛蒂尔达。

Johann因教堂问题不得不离开Spisská Belá,1815年全家搬到Késmárk。佩兹瓦尔在Késmárk(今斯洛伐克的Kežmarok)上小学,之后在Podolin(今Podolínec)上中学。他在Levoca完成学业,全家于1819年搬到那里。起初他最好的科目是拉丁语和宗教研究,而数学表现很差,对这门学科毫无兴趣。佩兹瓦尔的老师建议他父亲让他退学去学一门手艺,家里考虑让他去当鞋匠学徒。然而,他发现了一本有趣的数学书,即Mathias Hauser所著的Analytische Abhandlung der Anfangsgründe der Mathematik (《数学基础分析论》)(1807年)。他在整个夏天研读这本书,成绩显著提高,以至于秋天返校时他已是班上最好的数学学生。1823年离校后,他前往Košice(当时名为Kassa),在那里上过一段时间中学,但经济拮据,被迫做家庭教师挣钱维生。他跟Barlai教授——数学与哲学教授——学习了两年。完成学业后,他担任了Almássy伯爵家的家庭教师一年。

1826年,佩兹瓦尔进入佩斯大学(今厄特沃什·罗兰罗兰大学)的几何学院学习哲学和数学。后来,1872年,佩斯城与多瑙河对岸的布达城合并,形成了布达佩斯。当时大学的主要教学语言是德语,直到1860年匈牙利语才成为教学语言。在大学学习的两年里,他研读了西尔维斯特·佛朗索瓦·拉克鲁瓦皮埃尔·西蒙·拉普拉斯约瑟夫·拉格朗日的著作。他还在学生中因高超的击剑技艺而声名鹊起。1828年从大学获得工程学位后,佩兹瓦尔被任命为佩斯城的防洪和排水专家。他从事这项工作七年,在工作中展现出了真正的才能。

佩兹瓦尔从1832年起在佩斯大学讲授力学和数学,并于1835年成为佩斯大学高等数学教授。两年后,他接受了维也纳大学的数学讲席。我们注意到,佩兹瓦尔离开佩斯大学后不久,他的兄弟Otto Petzval于1839年被任命为佩斯大学高等数学教授,一直担任此职直到1883年去世。

佩兹瓦尔一生大部分时间都在研究拉普拉斯变换。他受到约瑟夫·刘维尔工作的影响,撰写了一篇长论文和一部两卷本专著,论述皮埃尔·西蒙·拉普拉斯变换及其在常线性微分方程中的应用。他的研究很透彻,但并不完全令人满意,因为他无法使用围道积分来反演该变换。但若不是佩兹瓦尔的学生,我们今天可能会把皮埃尔·西蒙·拉普拉斯变换称为佩兹瓦尔变换。佩兹瓦尔与这个学生闹翻,后者随后指责佩兹瓦尔剽窃了皮埃尔·西蒙·拉普拉斯的工作。尽管这是不实的,但乔治·布尔儒勒·昂利·庞加莱无疑受到这场争吵的影响,将该变换称为皮埃尔·西蒙·拉普拉斯变换。塞纳希写道[5]:-

……在[19]世纪,[匈牙利]科学家在微分方程理论方面取得了特别出色的成果。……必须特别提到约瑟夫·佩兹瓦尔,他在发表了一系列关于自己显著成果的文章之后,于[19]世纪中叶出版了一部两卷本微分方程专著,在很长一段时间内是该领域唯一的指南[《线性微分方程的积分》(Integration of linear differential equations)(第1卷,1853年;第2卷,1859年)]。几十年后,它仍将被视为主要文献来源。在他的原创成果中,最重要的是关于带复变量的线性微分方程的奇解。他在这方面的研究比波恩哈德·黎曼更深入,并在若干方面领先于儒勒·昂利·庞加莱。如今相当完整的雅各布·黎卡提微分方程理论在很大程度上归功于他。

佩兹瓦尔最为人所铭记的是他在19世纪40年代初关于光学透镜和透镜像差的工作(佩兹瓦尔曲率以他命名),这使得现代相机的制造成为可能。佩兹瓦尔生产了一种消色差人像镜头,远远优于当时使用的简单弯月透镜。在[11]中,他在光学方面的工作描述如下:-

[在维也纳大学]他详细研究了L M Daguerre的发明,即所谓的达盖尔银版法,并着手将其曝光时间从几分钟缩短到几秒。1840年,他非凡的数学才能使他能够评估并制造出一种光度提高六倍的无像散镜头。这种佩兹瓦尔高度明亮的早期照相镜头形式被富有进取心的维也纳光学家Voigtländer采用,他将其投入批量生产,并在巴黎世界博览会上赢得了银牌。佩兹瓦尔还完善了望远镜并设计了观剧镜。

这一描述实际上掩盖了佩兹瓦尔遇到的许多困难。在被任命为维也纳大学数学讲席后,他在维也纳森林的卡伦山租了一座废弃的修道院,并在那里建立了自己的玻璃工坊。他设计的肖像镜头是对先前镜头的巨大改进,佩兹瓦尔已于1840年5月完成了计算。他将设计交给了由Peter Wilhelm Friedrich Voigtländer(1812-1878)经营的Voigtländer & Sohn 公司,并为此获得了一小笔钱。Voigtländer的公司由其祖父Johann Christoph Voigtländer于1756年创立,于1841年推出了一款使用佩兹瓦尔镜头设计的相机,它彻底改变了肖像摄影。Voigtländer发了财,但佩兹瓦尔没有申请专利,也没有收到版税。他与Voigtländer闹翻,并试图在卡伦山的工坊里制造他的镜头。军事地理研究所找上门来,请他设计一款风景镜头。他照做了,并设计出一款再次大大改进了当时所用镜头的镜头。大约1854年,他与光学家Carl Dietzler合作讨论了将镜头推向市场的事宜。1856年,他在利奥波第那科学院的一次会议上展示了他的镜头,但是,尽管他的工作受到了极大的欢迎,Dietzler的公司还是在1862年破产了。Voigtländer再次利用佩兹瓦尔的设计来推销自己的相机,进一步加深了两人之间的敌意。

佩兹瓦尔如今因其在光学方面的杰出工作而得到认可,但他对事情的结果如此失望,以至于放弃了所有光学方面的工作,甚至停止讲授这一学科。最后一根稻草出现在1859年,他的家被盗,他正在撰写的一部光学论著的手稿被毁。此后他转向声学研究,但他仍在1861年成为摄影学会的创始人,不过谢绝了会长一职,宁愿被授予荣誉会员资格。

佩兹瓦尔在与佩兹瓦尔的争论中似乎完全正确,但不幸的是,他也与克里斯蒂安·多普勒发生过争论,而在那场争论中他完全错了。问题的出现有若干原因。首先,⟦N3⟧把摄影视为肖像和风景的一种艺术形式,而不是科学研究的工具。其次,他坚信科学发现必须牢固地建立在数学基础之上,只有能够用微分方程描述的科学,对他来说才是真正的科学。正是这些信念导致他对克里斯蒂安·多普勒关于光的理论发起了完全错误的攻击。

Austrian Academy of Sciences于1846年在维也纳成立。克里斯蒂安·多普勒于1848年当选为科学院院士,佩兹瓦尔于1851年当选。两人之间首次出现麻烦的迹象是在1851年,在5月27日的会议上,克里斯蒂安·多普勒提议科学院为达盖尔照相法的改进设立奖项。佩兹瓦尔反对这一提议,此事便未再推进。佩兹瓦尔究竟反对什么,目前还不太清楚。也许他认为自己是这方面的专家,克里斯蒂安·多普勒不应涉足他的领域。也许他认为自己的工作已经超越了这项竞赛的基本前提。

佩兹瓦尔对克里斯蒂安·多普勒发起了另一次攻击,抨击克里斯蒂安·多普勒原理,该原理将光源的频率与其相对于观察者的速度联系起来。克里斯蒂安·多普勒在1842年的论文Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels (《论双星和天上其他一些星的彩色光》)中提出了这一原理。克里斯蒂安·多普勒用几行推导出了这一原理,将光和声分别视为以太和物质中的纵波。当然,尽管克里斯蒂安·多普勒原理是正确的,并且对天文学研究极其重要,但克里斯蒂安·多普勒论文中的许多内容是不正确的,特别是他认为克里斯蒂安·多普勒原理解释了双星的不同颜色。佩兹瓦尔的攻击发生在1852年1月15日奥地利科学院的会议上,他在会上宣读了他的论文Über die Unzukömmlichkeiten gewisser populärer Anschaungsweisen in der Undulationstheorie und ihre Unfähigkeit des Princip der Erhaltung der Schwingungsdauer zu ersetzen (《论某些流行的波动理论看法的不可取性及其无法取代波长保持原理》)。该文后来于1852年发表在Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften. Mathematisch-Naturwissenschaftliche Classe (《帝国科学院会议报告。数学与自然科学》)上。他的攻击基于这样一个事实:克里斯蒂安·多普勒仅用简单方程就在几行内推导出了该原理。佩兹瓦尔在他的论文中声称:-

不应用微分方程,就不可能进入伟大科学的领域。

Academy1852年1月15日会议的纪要写道[1]:-

……正式成员佩兹瓦尔教授作了题为“论某些流行的波动理论看法的不可取性及其无法取代波长保持原理”的演讲。他提交了会议报告的手稿。正式成员克里斯蒂安·多普勒教授随后宣读了一篇题为“关于论文:论波动理论的一般原理的评论”的短文,并将其提交给会议报告。正式成员主任van Ettingshausen也宣读了对所提及论文的一些评论,这些评论也拟用于报告。

Alec Eden 写道 [1]:-

在这些反对意见中,佩兹瓦尔混淆了两种完全不同的情况:一种是声源与听者之间存在相对运动,另一种是介质在运动而声源与听者静止。在第二种情况下,根据克里斯蒂安·多普勒原理,音调没有变化。事实上,佩兹瓦尔长期而激烈的攻击——在1852年5月21日由Andreas von Baumgartner主持的奥地利科学院会议上达到高潮——最终被证明是克里斯蒂安·多普勒理论的最佳数学证明。

1852年10月21日科学院的第三次会议再次见证了佩兹瓦尔攻击克里斯蒂安·多普勒,但此时克里斯蒂安·多普勒已病重无法为自己辩护,并已南下希望恢复健康。佩兹瓦尔的攻击是恶毒的(例如见[4]):-

人们不能确切地说克里斯蒂安·多普勒的理论毫无价值,因为它以一种绝对不正确的方式指出了某一现象的事实。相反,人们必须说它具有负面价值,因为它通过一种简单和清晰的幻觉,使许多对该科学感兴趣的人被误导,而这种幻觉不过是肤浅的,缺乏理解的深度。

所有这一切的结果是,Academy支持了佩兹瓦尔的信念,即克里斯蒂安·多普勒的理论是不正确的,尽管自首次提出以来它已被实验多次验证。

这场争论由Egon von Opplzer于1901年在维也纳大学克里斯蒂安·多普勒雕像揭幕仪式上的演讲中作了总结[1]:-

他的对手佩兹瓦尔在奥地利科学院上把“大科学”和“小科学”之类的说法挂在嘴边,认为伟大的真理不可能在几行字里、通过一个只有一个未知数的方程找到,至少需要一个微分方程——他以此认为自己已经证明了克里斯蒂安·多普勒原理的不正确性。谁若探究得稍深一些,就会在这些攻击中发现,其动机并非纯粹科学的,而是更为个人的目标。这是天才与才能之间古老的对立,当才能一方不理解直觉行动与个人才华时,这种对立必然导致斗争。对克里斯蒂安·多普勒来说,审视自己的原理,这是清楚确定的;而对他——一位真正的自然研究者——来说,对一条已经通过实验得到证实的定律的攻击是完全不可理解的。他以事实为据、果断地作了回应。

作为教师,佩兹瓦尔深受学生喜爱[15]:-

作为维也纳大学的数学教授,他以生动的讲课和令人难以置信的独特教学风格而闻名。他讲授光学、线性方程与微分方程、分析力学、声学、弹道学和机械振动。佩兹瓦尔对学术教学方法非常批判——这大概是他从自己童年所遇到的有限教学风格的经验中发展出来的。他非常直言不讳地反对自己的系和大学行政当局,并努力把想象力和创造力带入课堂。

1869年1月,佩兹瓦尔娶了他的管家Katarina Schlegl。他当时62岁,但我们未能查明Katarina的年龄。遗憾的是,她三年后去世了。1877年,年满70岁的佩兹瓦尔从维也纳大学的教授职位上退休。此后,他退居卡伦山,在那里度过了生命最后14年,基本上独自生活。他在卡伦山上唯一的陪伴似乎就是他的马。他去世时,葬礼上没有家庭成员,只有几个学生、两三个老朋友和一位维也纳大学的代表。1905年,维也纳市长回忆说,佩兹瓦尔曾是一位伟人和伟大的学者,为维也纳市带来荣耀,也为维也纳大学带来荣耀。市长说,因为他,维也纳成了世界摄影中心。然而,他说,尽管佩兹瓦尔在维也纳生活了54年,他仍然忠于自己的祖国,他仍然是匈牙利人。

佩兹瓦尔因其工作赢得了许多荣誉。除上述之外,他于1873年当选为匈牙利科学院成员,1881年成为捷克数学家和物理学家联合会荣誉成员,并获得了法国颁发的查尔斯·舍瓦利耶铂金奖章。维也纳有一条街道以他的名字命名,月球背面的一座环形山也是如此。

Szénássy写道[5]:-

学生们喜欢佩兹瓦尔,认为他是一位真正坚定而乐于助人的朋友,但他的同事们却因他的强烈批评而深受其苦。

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。