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数学家传记

克里斯托弗·雷恩Christopher Wren

出生
1632年10月20日 英格兰威尔特郡东诺伊尔
逝世
1723年2月25日 英格兰伦敦

克里斯托弗·雷恩是一位英国建筑师和数学家,成为牛津大学的萨维尔天文学教授。他以伦敦大火后设计的建筑最为著名。

完整传记

克里斯托弗·雷恩的父亲也叫雷恩。老雷恩是一位受过良好教育的人,在进入教会之前毕业于牛津圣弗瑞兹·约翰学院。他于1620年成为威尔特郡Fonthill的教区长,然后于1623年成为威尔特郡East Knoyle的教区长。他与Mary Cox结婚,Mary Cox是来自Fonthill的威尔特郡乡绅Robert Cox的独生女,他们住在East Knoyle时所有孩子都出生了。Mary、Catherine和Susan都在1628年前出生,但随后有几个孩子出生后几周内死亡。他们的儿子雷恩出生于1632年,然后两年后,另一个女儿名叫Elizabeth出生。Mary一定在Elizabeth出生后不久去世,尽管似乎没有幸存的日期记录。然而,通过Mary,家庭在经济上变得富裕,因为作为唯一继承人,她继承了她父亲的遗产。

1634年,老雷恩被提供温莎教长职位,这个职位由他的兄弟Mathew雷恩担任,后者即将成为赫里福德主教。老雷恩于1635年4月4日就任教长,年轻的雷恩在那里由他的父亲和一位年长的姐姐抚养长大,她填补了母亲的角色。他与另一个亲戚有着亲密的友谊,因为他的叔叔Mathew雷恩有一个儿子,也叫Mathew雷恩,他成为雷恩亲密家庭的一部分。另一个童年朋友是Charles I的儿子,威尔士亲王,他们经常一起玩耍。

在身体上,雷恩是一个相当虚弱的孩子,身材相当矮小。他从小就喜欢绘画,随着年龄增长,这一点显著发展。科学让他着迷,他对周围的一切表现出天生的好奇心,喜欢进行自己设计的小实验。雷恩早年有一位私人导师,然后在他九岁时被送到伦敦的威斯敏斯特学校。这所学校由Busby博士管理,他以维持异常严格的纪律和相当大的能力而闻名,这导致他的许多学生取得巨大成功。在这所学校,雷恩迅速精通拉丁语,这从他写给父亲的拉丁语信件中可以看出,这些信件仍然保存着。

雷恩家族显然深受国王青睐,是坚定的保皇派。这导致了困难,当雷恩在威斯敏斯特开始上学后不久,国王与议会之间的英国内战爆发。Matthew Wren,此时已是伊利主教,被囚禁在伦敦塔十八年。温莎的教长住宅遭到袭击,雷恩的父亲被迫搬出。起初他去了布里斯托尔,但当雷恩十一岁时,他的姐姐嫁给了William Holder,此后不久老雷恩去住在牛津郡Bletchingham的牧师住宅,这是他女儿和女婿的家。William Holder是一位数学家,对雷恩产生了非常强烈的影响,后者在Bletchingham度过了很多时间。Holder基本上承担了雷恩的数学导师角色,还鼓励他进行天文学实验。

1646年,雷恩离开威斯敏斯特学校,但并未立即进入大学。在接下来的三年里,他积累了广泛的科学知识。我们知道他大约在1646年制作了日晷实验,还制作了一个太阳系的纸板模型,展示了他的艺术才能和天文学技能。他受雇为查尔斯·斯卡伯勒博士的助手,协助他进行各种解剖实验。雷恩制作了展示肌肉如何工作的纸板模型,斯卡伯勒在解剖学讲座课程中用于演示。有人推测雷恩当时的健康状况可能不佳,这可能使他被送到斯卡伯勒博士那里接受治疗。无论原因如何,雷恩为斯卡伯勒所做的工作是他第一个重要的科学贡献。此后,仍在进入大学之前,雷恩被推荐给威廉·欧垂,作为将其关于日晷数学的著作翻译成拉丁语的合适人选。

雷恩于1649年6月25日进入牛津大学瓦德汉学院,1651年3月18日获得学士学位,1653年获得牛津大学硕士学位。他于1653年当选为牛津大学万灵学院会士,并在该学院居住至1657年。在牛津,雷恩进行了许多科学实验。他研究解剖学,为Willis的Cerebri anatome绘制人脑图。他设计了一种输血方法,并通过将一只狗的血液输给另一只狗来演示。也许雷恩在牛津度过的岁月中最引人注目的是他兴趣的广度。他的思想从一个主题跳到另一个主题,提出了诸如:测量角度的仪器、测量仪器、提水机械、在海上寻找经度和距离的方法、防御城市的军事装置以及加固港口的手段等想法。Summerson在[14]中写道:-

他的才能的分散令我们感到惊讶和沮丧,这很可能最终也令他自己如此。

1657年,他成为伦敦格雷沙姆学院的天文学教授。大约从1652年起,他一直在观测土星,目的是解释其外观。他的假说写成De corpore saturni,但在这部著作出版之前,克里斯蒂安·惠更斯提出了他的土星环理论。雷恩立刻认识到这比自己的假说更好,于是De corpore saturni从未出版。

考察雷恩在就任格雷沙姆学院讲席时的就职演讲中所涉及的主题是很有意思的。除了谈到用天文学论据来解释基督教圣经记载中的疑难的方法之外,他还谈到了到最近恒星的距——

……然而很可能有些恒星比其他的要遥远无穷倍。

他讨论了约翰内斯·开普勒的行星椭圆轨道理论,并期待有朝一日这能得到恰当的解释。我们应当注意,尽管大约30年后艾萨克·牛顿证明了平方反比定律与椭圆轨道之间的联系,雷恩本人(以及罗伯特·胡克)都各自独立地提出了吸引力的平方反比定律。

雷恩在演讲中还谈到了最近利用望远镜对太阳、月球和行星所作的发现。他特别谈到了太阳黑子,以及把月球用于确定海上经度问题的一些应用:——

……因此,通过此地教授们的努力,由于磁偏角变化的首次发现和观测而得到了扩充;我承认,这件事至今尚不成熟,但可能在哲学上产生重要影响,并且可能对航海者极为有用,由此我们或许能获得经度的知识,除此之外,前人的勤奋几乎未曾留下任何更值得在技艺中追求的光荣目标。

雷恩是伦敦格雷欣学院一个科学讨论小组的成员,该小组于1660年发起了正式的每周会议。他无疑在后来成为皇家学会的早期发展中发挥了重要作用,他广泛的兴趣和在众多不同学科上的专长有助于不同科学家之间的思想交流。他在格雷欣学院的讲座也为科学家们在皇家学会正式成立之前的聚会提供了一个焦点。事实上,Royal Society成立的那次会议的报告是这样写的:

备忘录 1660年11月28日。以下这些人按照他们中大多数人的通常习惯,在格雷欣学院聚会,听取雷恩先生的讲座,即:威廉·布朗克勋爵、罗伯特·波义耳先生、布鲁斯先生、罗伯特·莫里爵士、保罗·尼尔爵士、约翰·维尔金斯博士、戈达德博士、佩蒂博士、鲍尔先生、鲁克先生、雷恩先生、希尔先生。讲座结束后,他们按照通常的方式退席进行相互交谈。

1662年,这个团体从查理二世那里获得了皇家特许状,“伦敦皇家学会促进自然知识”由此成立。除了是学会的创始成员外,雷恩还在1680年至1682年间担任皇家学会的主席。

雷恩于1661年成为牛津大学的萨维尔天文学教授,并担任此职直到1673年。正是在这次任命之后,他对数学做出了重要贡献。艾萨克·牛顿从不轻易过分赞扬他人,他在Principia中表示,他将雷恩与约翰·沃利斯克里斯蒂安·惠更斯并列为当时的主要数学家。D. T. 怀特塞德在[16]中写道:

雷恩的数学工作如今如果还存在的话,也只是从遗忘中抢救出来的零散片段,一些已印刷出版,还有少量仅在同代人的已出版著作中留有粗略轮廓,尤其是约翰·沃利斯的著作中。

雷恩在数学上的名声源于他在1658年获得的结果。他利用基于剖分的exhaustion proof求出了摆线弧的长度,从而将问题简化为对圆的弦段求和,这些弦段成等比数列

他是第一个解决约翰内斯·开普勒问题的人,即用通过其直径上给定点的线按给定比例切割半圆。这个问题在天文学中有基础,因为它出现在约翰内斯·开普勒关于椭圆轨道的工作中。约翰内斯·开普勒将求行星的平均运动简化为用通过焦点的线按给定比例切割椭圆。除了解决开普勒问题外,雷恩还独立证明了约翰内斯·开普勒第三定律,并且如我们上面所述,制定了引力吸引的平方反比定律。

雷恩贡献的另一个主题是光学。他发表了一种创建透视绘图的机器的描述,并讨论了锥形透镜和镜子的研磨。从这项工作中产生了雷恩的另一个重要数学结果,即旋转双曲面是一个直纹面。这些结果于1669年发表。

关于对数螺线的工作,已在1650年代末由约翰·沃利斯求长,导致雷恩注意到有可能考虑一种保面积变换,将锥体变换为实体对数螺线。他评论说,这类似于蜗牛形状和海贝壳形状,这些想法达西・汤普森将在250年后研究。

雷恩对建筑的兴趣最初是如何产生的还不太清楚,尽管我们已经注意到他在牛津时期对防御城市的军事设备和加固港口的手段的贡献。当然,他在牛津学生时期阅读了维特鲁威在公元前一世纪写的On Architecture。1661年,他被邀请参与丹吉尔港口的防御工事,尽管他拒绝了这个请求,但有趣的是,即使在1661年,雷恩也被认为是可能承担重大建筑项目的人。1663年,雷恩对马塞卢斯剧院进行了彻底研究,检查了剧院的图片和显示其原始形式的图纸。这对雷恩作为建筑师的发展很重要,马塞卢斯剧院的影响在他的早期设计中清晰可见。1665年访问巴黎也有影响,特别是索邦教堂和荣军院教堂给他留下的印象。

1663年,他受其叔父伊利主教的委托,设计了剑桥大学彭布罗克学院的礼拜堂。

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同年,他向皇家学会提交了他设计的牛津谢尔登剧院模型。这个项目于1664年开始建造,是他首个包含穹顶设计的项目。萨默森认为,正是从这一刻起,数学家雷恩转变为建筑师雷恩[14]:-

谢尔登剧院完美地展示了这种分野。其建筑与装饰尚不成熟……另一方面,那带有嘶嘶声的屋顶结构(现已不存),是对涉及大跨度桁架设计问题的一项极为有趣的研究,是一项真正的‘皇家学会’研究。因此,在这一座建筑中,我们看到雷恩同时以两种身份工作——既是精巧的装饰绘图师,又是试图以新科学方法解决实际问题的实验哲学家。

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1668年,按照雷恩的设计,剑桥大学伊曼纽尔学院礼拜堂和牛津大学三一学院花园方庭开始施工。

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雷恩在建筑方面最大的机遇来自1666年伦敦大火后的重建工作。那一年,他被任命为伦敦城重建专员,在三位测量员的协助下,对火灾毁坏的区域进行了勘测,其中一位测量员是罗伯特·胡克。雷恩重新规划了整个城市,并监督了51座教堂的重建。例如,1670年,他是以下伦敦建筑的建筑师:海关大楼、针线街的圣雷恩-le-Stocks教堂、东圣邓斯坦教堂、针线街的圣贝内特芬克教堂、福斯特桑德斯·麦克兰恩的圣维达斯特教堂、芬丘奇街的圣狄奥尼斯背教堂、伍德街的圣迈克尔教堂、家禽街的圣米尔德里德教堂、老犹太街的圣奥拉夫教堂、泰晤士街的圣玛丽山教堂、奥尔德曼伯里的圣玛丽教堂,以及伦巴底街的圣埃德蒙国王与殉道者教堂。

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1670年,他被任命为城市教堂重建测量员。在罗伯特·胡克作为助手的协助下,他接到了以下任务:-

……指导并规定上述教堂的尺寸、形式和模型。

值得注意的是,尽管雷恩此时正在进行的非凡数量的设计工作,他仍担任着牛津的萨维尔天文学讲席。显然,他对学术世界的热爱使他不愿切断与它的联系,尽管此时他已位居英国首席建筑师之位。

1669年,雷恩被任命为圣保罗大教堂的测量员。他曾在1663年参与旧大教堂的修缮工作,因此当1669年被任命为国王工程总监时,他自然是接任这一角色的不二人选。这一任命可能也让雷恩确信自己现在足够安定可以结婚了,因为他娶了布莱钦厄姆的Sir John科格希尔的女儿费丝·科格希尔。雷恩曾与他的姐夫威廉·霍尔德在布莱钦厄姆度过许多时光,并早已认识费丝。这段婚姻只持续了六年,因为费丝在1675年9月生下他们的第二个孩子后不久便去世了。雷恩留下两个年幼的孩子,很快再次结婚,这次是在1677年与简·菲茨威廉结婚。遗憾的是,雷恩的第二次婚姻比第一次更短,因为简于1679年死于肺结核。这段第二次婚姻育有两个孩子。

雷恩今天最为人知的身份是圣保罗大教堂的建筑师。我们在上文提到,他于1669年被任命为圣保罗大教堂的测量员。他为新大教堂设计的第一个方案被伦敦市议会以不够宏伟为由拒绝,雷恩于1674年提出了第二个方案及一个模型。这第二个方案基于希腊式设计,被神职人员以不符合基督教教堂的适当形式为由拒绝。尽管雷恩此时个人生活遭遇悲剧,且对其圣保罗大教堂方案的反应深感失望,他仍再次投入工作,提出了基于拉丁十字架并带有大型穹顶的第三个方案。这第三个方案将成为我们今天所见的圣保罗大教堂方案的基础,但雷恩在35年的施工过程中对其进行了修改。由于项目开始时雷恩已经43岁,人们可能不会期望他能活到项目完工。然而,他活到了90岁,圣保罗大教堂在他去世前12年完工。

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1675年,即雷恩的圣保罗大教堂方案被接受的那一年,他接到查理二世的委托,为约翰·佛兰斯蒂德建造一座皇家天文台,后者于同年被任命为皇家天文学家。正如常有的情况,国王缺钱,因此雷恩不得不设计一座“廉价”建造的建筑。当然,查理二世建造天文台并非为了推动科学研究,而是希望解决经度问题,这将使英格兰作为一个航海国家比其竞争对手拥有巨大优势。

在一篇这样长度的文章中,甚至不可能指出雷恩所承担的建筑委托的范围。然而,我们应该提到另外两项作品。1696年,他被任命为格林威治海军医院的测量员,三年后成为威斯敏斯特教堂的测量员。他于1716年辞去前一个职位,但一直担任后一个职位直到去世。

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1723年2月,他在前往伦敦家中的途中着凉,随后去世,并于3月5日被安葬在圣保罗大教堂东端唱诗班南侧过道下。

当我们意识到雷恩与他那个时代一些最难相处的人,特别是罗伯特·胡克约翰·佛兰斯蒂德,始终保持朋友关系时,我们就能对他的性格有所了解。菲利莫尔在19世纪撰写的关于雷恩本性的记述描绘了一幅光辉的图景:-

他小时候就充满爱心、温和、谦逊;这位著名建筑师仍然拥有这些品质。在一个腐败的时代,所有证词都表明他无可指摘;在肩负重大信任和更大困难的职位上,针对他的攻击反而更清楚地显示了他的正直……

参考文献

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