伽利略说可以用对数来创造整个宇宙,对数有这么重要?
天文学自古有之,从天文观测开始,就与计算密不可分。我国元代天文学家,数学家郭守敬计算了一个地球年为365.2425天,这个结果与现代天文学测算仅相差26秒,在那个仅靠肉眼观测和算筹计算的时代就可以得到这样的结果,真是让人叹为观止!
大约文艺复兴时期,欧洲近代科学开始起步,天文学的发展也走上了高速轨道,丹麦天文学家第谷通过肉眼观测留下了海量的极为精准的观测数据,这些数据也为他的学生开普勒发现行星运行三大定律做了数据基础。望远镜诞生之后,伽利略用自己发明的望远镜观测到木星有4颗卫星,并且发现了土星环。
然而仅仅通过观测是很难揭露出星体运行的本质的,了解万有引力定律的同学都知道,如果想计算行星的质量,则必须要先得到两个星体之间的距离。在那个没有任何计算工具的时代,人们只能从海量的观测数据里去寻找,然后计算,这里的计算可不止是加减乘除或者开方什么的运算。在计算行星周期的时候,就必须要在不同季节,不同位置采集大量数据,通过这些数据之间的内在关系,推导出周期的大概数值,再通过理论计算的数值,与实际采样点的观测结果比较,如果误差极小,那么就说明就已经从理论上算出了这个行星的运动规律。知道了运行规律之后,天文学家们就可以预言这个星体的某些天象。
现在我们都可以通过很多公式来推算太阳系的行星运动规律,在500年前,问题可大不一样。往往天文学家观测星体运动只要一个月,然后分析计算数据却要好几年。我们通常都把很大的数字 叫作 天文数字,顾名思义,但凡涉及到天文学方面的计算,数量级通常都大得惊人,如果对于这么大的数据来进行多次乘方,开方运算,可想而知,这样的工作量该有多恐怖。所以那个时代的天文学家其实更加像是星象观测者和计算工作者。
天文学家们很期待,可以发明出一种简化计算法来代替那些复杂枯燥的大数值计算。
很快一位叫纳皮尔的男爵做了这项工作,1550年,纳皮尔出生在苏格兰,是一位神学家,同时也精通数字计算。纳皮尔兴趣在球面三角学的有关计算,而球面三角学又跟天文学密切相关。
纳皮尔的对数思想来自下面的两组数列:
假设我们现在要去算16×512,按照传统的方法,那就只能从表面直接去计算,毫无疑问,这样的计算繁杂不堪(当然实际上基本不会出现这样浅显的“繁杂计算”)。纳皮尔注意到,上下两个数列的关系,容易看出16=2^ 4 ,512=2^ 9 ,因此16×512=2^ 4 ×2^ 9 =2^ 13 ,于是,我就只要在第二个数列中找出第一列中13对应的那个数字就行了。纳皮尔把第一个数列就 叫作 对数,在纳皮尔那个时代还没指数的概念,指数和对数的互逆性质一直到18世纪的欧拉才发现。但是他的这种简化计算的思想跟现在完全相同,只不过那个时候“底”这个概念也是缺乏的。我们现在很清楚了,纳皮尔实际上是发现了计算规则
1594年,纳皮尔对于对数的思想正式萌芽,经过20年的研究,1614年,他将自己研究成果写作成著作《奇妙的对数定理说明书》一书,书中系统阐述了对数的理论知识,同时附上了一套正弦对数表。此书一出,立刻引起轰然大波,最为惊喜的当然是痛苦的天文学界。对数问世之后,伦敦的一位数学教授布立格斯最先意识到对数的划时代意义,绝不仅仅只是为了简化天文学方面的计算,在纯数学上更是有着极大的普适性。于是,他在1616年拜访了纳皮尔,建议纳皮尔编写以10为底的对数表,以10为底将会更加简化计算,那个时代已经有了十进制的科学计数法。两位数学家相见如故,纳皮尔很快就接受了布里格斯的建议。可惜,事与愿违,纳皮尔在第二年就去世了,以10为底的对数表就这样搁置了。于是,布里格斯教授继承了纳皮尔的遗志,穷尽7年时光,造出了以10 为底的1到20000,90000到100000之间的对数表,剩下的20000—90000之间的数据,在1628年由荷兰数学家佛拉格补充完全。于是,现在我们用的对数表就这样完全诞生了。一直到21世纪初,中学的教材里都会附加一本《常用对数表》。
开普勒也几乎在同时代发现了三大行星运动定律。牛顿说“ 他的成就是站在巨人的肩膀上得到的 ”,开普勒绝对算是这些巨人之中的一个。开普勒在获得第谷完整的观测数据之后,经过6年的大量计算得到了第一,第二运行定律,又经过了9年的大量计算才获得了第三运动定律。在此之前,开普勒已经知道
数学上的直觉让他认为,公转周期和太阳距离之间一定存在着某种关系,这些看似毫不相干的数据内在肯定存在一条普遍成立的规律。开普勒对这些数据进行过数不尽的腾挪变换,始终得不到一个完整的定律。就在无穷无尽的计算之海中,开普勒看到了纳皮尔的对数理论,于是他开启了一段新的思路。他对这周期和太阳距离做了下面的变换:
这里的T^2 ,R^3 吻合得令人咋舌,让人不得不相信这样的内在关系,于是开普勒第三运动定律终于诞生。
现在我们知道,即使在没有第谷的任何观测数据的情况下,用微分方程来分析,就可以从理论上直接推导出三大行星运行定律。但是当时的数学工具匮乏,即使是像开普勒这样精于计算的数学大神也要花费20年才能得出最终的结论。现在看来,假如没有纳皮尔对数的思想来启发开普勒,可能第三定律还要困住他很久很久。
至此,对数对于现代科学的影响已经不仅仅是在天文学上,也扩散到了几乎所有的自然科学领域,计算上获得了巨大的改进,节省下来的时间足以让人们做更多的 探索 。
伽利略说:“ 给我时间,空间和对数,我就可以创造出整个宇宙。 ”这当然是夸张的说法, 也从侧面说明,对数的发展是多么地及时有效。恩格斯更是把解析坐标系,对数,微积分作为17世纪数学界最伟大的发明。
纵观整个数学的发展史,通常里程碑式的发展都是因为重大工具的发明引起的。比如对数,微积分的发明。在这些工具出现之前,人们去一个远方就只能步行过去,快的人要有一个月,慢的人甚至要一年,这些工具出现之后,人们才开始坐上了 汽车 ,火车,甚至飞机,将之前的望山兴叹,望洋兴叹通通变成了坦荡征途。
牛顿小时侯的故事
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在给出平板在气流中所受阻力时,牛顿对气体采用粒子模型,得到阻力与攻角正弦平方成正比的结论。这个结论一般地说并不正确,但由于牛顿的权威地位,后人曾长期奉...矢径扫过的面积、极大极小值(如近日点、远日点、最大射程等)、体积、重心、引力等等;尽管牛顿以前已有对数、解析几何、无穷级数等成就,但还不能圆满或普遍...
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在牛顿之前,伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。枷利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会...微粒说与波动说之争在当时是十分激烈的,双方争论持续多年。当年光的微粒说与波动说之争,现在可以引用E.T.惠特克的话来结束这桩公案:“当A.爱因斯坦以M....
牛顿的故事
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有没有简介牛顿的生平事迹?
把透镜适当组合成一个系统就可成为显微镜或望远镜。这两种仪器的发明对科学发展起了重大作用。在牛顿之前,伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。枷利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会聚透镜组成的开普勒望远镜。两种望远镜都无法消除物镜的色散。牛顿发明...
牛顿简介
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牛顿都有哪些成就?
这个实验可说是一个半世纪后 J.von夫琅和费建立光谱术的基础。事实上牛顿在他的《光学》第 1卷命题4问题1中用过1~2英寸长、宽仅1\/10或1\/20英寸的长方形的孔代替小圆孔,他说所得结果较前更清晰,但没有夫琅和费线的记载。牛顿在这方面做了大量的实验之后,于1672年把他的结论用书信形式送交皇家学会...
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牛顿的小故事有哪些?急急急急急急
在牛顿之前,伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。枷利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会...微粒说与波动说之争在当时是十分激烈的,双方争论持续多年。当年光的微粒说与波动说之争,现在可以引用E.T.惠特克的话来结束这桩公案:“当A.爱因斯坦以M....
章岭野木:[答案] 这是伽利略赞扬对数及其发明者napier而发出的豪言壮语,不过宇宙外有无宇宙,谁都不知道,你可以搜平行宇宙,重叠宇宙
银川市18985931843: 数学座右铭,30~50字左右?
章岭野木: 伽利略说:“给我空间、时间、及对数,我可以创造一个宇宙”“自然界的书是用数学的语言写成的”牛顿说:“没有大胆的猜想,就做不出伟大的发现”,哈尔莫斯说:“数学的创作绝不是单靠推论可以得到的,首先通常是一些模糊的猜测,揣摩着可能的推广,接着下了不十分有把握的结论.然后整理想法,直到看出事实的端倪,往往还要费好大的劲儿,才能将一切付诸逻辑式的证明.这过程并不是一蹴可几的,要经过许多失败、挫折,一再地猜测、揣摹,在试探中白花掉几个月的时间是常有的.”
银川市18985931843: 两个物理学之父??
章岭野木: 这么说是答案给得不规范!你向历史老师反驳!你就按罗缉思考.其实伽利略也说过一句著名的话:给我对数,我能创造整个宇宙!
银川市18985931843: 相对论简介 - ?
章岭野木: 狭义相对论基本原理:物质在相互作用中作永恒的运动,没有不运动的物质,也没有无物质的运动,由于物质是在相互联系,相互作用中运动的,因此,必须在物质的相互关系中描述运动,而不可能孤立的描述运动.也就是说,运动必须有一个...
银川市18985931843: 伽利略支持哥白尼日心说和地心说的后果 - ?
章岭野木: 哥白尼提出的“日心说”,有力地打破了长期以来居于宗教统治地位的“地心说”,实现了天文学的根本变革. 通常认为完整的日心说宇宙模型是由波兰天文学家哥白尼在1543年发表的《天体运行论》中提出的,实际上在西方公元前300多年的...
银川市18985931843: 《相对论》全文中文的 - ?
章岭野木: ·狭义相对论的概念 马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大.马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关.时空的观念是通过经验形成的.绝对时空无论依据什么经验也不能把握.休谟更具体的说:空间和广延不是别的,而是按一定次序分布的...
银川市18985931843: 相对论的基本原理与主要结构 - ?
章岭野木: 狭义相对论的基本原理是狭义相对性原理和光速不变原理,前者也是说物理规律在任何惯性系内都是相同的,后者是说光速在任何惯性系内都是相同的.前者是伽利略相对性原理的推广(从力学规律到一切物理规律),后者是实验所得结果.狭相主要结构就是洛伦兹变换式,以之为基础可以推导出所有狭相的定量结论.广义相对论的基本原理是广义相对性原理和等效原理,前者是说一切物理规律都要写成张量方程的形式,后者是说惯性质量等于引力质量或者说惯性系等价于做存在引力场的有恒定加速度(数值上等于该引力场的引力加速度)的非惯性系.其主要结构是引力几何化.核心是引力场方程,描述物质和时空如何相互影响,从物质分布得出时空结构.
银川市18985931843: 论古希腊哲学对近代自然科学的贡献...... - ?
章岭野木: 古希腊哲学与自然科学 包罗万象的古希腊哲学是古代知识的总汇,在哲学批判和思辩传统的支配下,古希腊的哲学家不仅提出了有关自然思辩的许多问题、假说和猜测,还在方法论、认识论等方面为近代科学的产生准备了充分和必要的条件....
银川市18985931843: 为什么是相对论? - ?
章岭野木: 狭义理论】 ·狭义相对论的概念 马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大.马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关.时空的观念是通过经验形成的.绝对时空无论依据什么经验也不能把握.休谟更具体的说:空间和广延不是别的,而是按一...
银川市18985931843: 伽利略名言 - ?
章岭野木: 生命有如铁砧,愈被敲打,愈能发出火花.—— 伽利略 一切推理都必须从观察与实验得来.---伽利略 真理就是具备这样的力量,你越是想要攻击它,你的攻击就愈加充实了和证明了它. —— 伽利略 追求科学,需要有特殊的勇敢,思考是人类...