物理群星
莱昂哈德·欧拉 肖像

图:Jakob Emanuel Handmann 画,1753 / 巴塞尔美术馆(公有领域)

莱昂哈德·欧拉

Leonhard Euler

1707–1783 · 生于瑞士巴塞尔 · 瑞士

力学数学物理

双目失明之后,他的产量反而涨了上去——1775 年平均每周一篇论文

「这样一来,我分心的事就少了。」

—— 右眼近乎失明后的自述,广泛流传于同代人的转述,措辞有多个版本

欧拉的父亲是巴塞尔近郊的牧师,本打算让儿子接自己的班。这位牧师年轻时在巴塞尔大学听过雅各布·伯努利的课,因此家里最早的数学课是他自己教的。

十三岁进大学之后,事情发生了变化。教初等数学的是约翰·伯努利——雅各布的弟弟,当时欧洲最好的数学家之一。他不肯单独给学生开小灶,但答应欧拉每周六下午来家里,把这一周读不懂的地方一次问清楚。

欧拉后来说,这是他得到过的最好的安排:没人替他把书读了,但每一次卡住都有人给他解开。

把物理从图形里搬进公式

1727 年他去了圣彼得堡。彼得大帝新建的科学院正在从欧洲各地招人,丹尼尔·伯努利已经在那里,替他留了位置——虽然报到时给他的头衔挂在医学与生理学部门。

1736 年的《力学》是一次改朝换代。牛顿的《原理》是用几何写的:每一个结论背后是一张图、一组相似三角形、一段比例论证。这套写法漂亮,但不可推广——换一个稍微复杂点的问题,图就画不出来了。欧拉把同样的内容改写成微分方程,从此力学题目变成解方程,而解方程是可以按部就班往下做的。

此后半个世纪,他几乎把当时能碰的物理问题碰了一遍:刚体绕定点转动的方程与欧拉角(今天航天器姿态控制和电脑图形学还在用)、细长杆受压屈曲的临界载荷(今天叫欧拉屈曲,土木工程的标准公式)、月球运动的摄动理论、光学仪器的设计、船舶的稳性、乃至音乐的音程理论。

其中影响最深远的两件,一件是 1744 年的变分法——要求一个积分取极值,就得到一个微分方程,这条路后来长成了最小作用量原理;另一件是 1757 年他给流体写下的运动方程。

失明之后

1738 年他右眼近乎失明。腓特烈大帝在柏林时管他叫「独眼巨人」。1766 年回圣彼得堡后,左眼的白内障手术起初有效,随后并发症让他几乎全盲。

产量没有下降,反而上升了。他有惊人的记忆力——据说能把维吉尔的《埃涅阿斯纪》整本背下来,并说出每一页的第一行和最后一行是什么——失明之后,他在脑子里做完整的计算,再口述给助手和儿子。1775 年,他平均每周产出一篇数学论文。

一生留下八百多篇论文与著作,收进《欧拉全集》要占六十到八十卷。有人估算,十八世纪数学、物理、力学、天文与航海领域的全部产出里,大约四分之一到三分之一出自他一人之手。

拉普拉斯对后辈的忠告是一句话:读欧拉,读欧拉,他是我们所有人的老师。

那些记号

今天写物理时用的很多符号,是他定下来的:函数记作 f(x)f(x)、自然对数的底记作 ee、虚数单位记作 ii、求和记作 Σ\Sigma、圆周率用 π\pi(不是他首创,但是他用开的)。

这不只是省事。给一个概念一个稳定的记号,等于承认它是一件独立的东西,可以被搬来搬去、代进别的式子里。「函数」这个概念之所以成为分析学的中心,正是从 1748 年那本《无穷分析引论》开始的。

1783 年 9 月 18 日下午,他与家人吃过午饭,正和莱克塞尔讨论刚发现不久的天王星的轨道,突然倒下。孔多塞在法兰西科学院的悼词里写了一句流传至今的话:他停止了计算,也停止了生活。

代表方程

欧拉公式

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta

把指数函数接到三角函数上的那一步。物理里凡是转圈的东西——单摆、交流电、光波、量子态的相位——写成 eiθe^{i\theta} 都比写成正弦余弦省事得多,因为微分只是乘一个常数。取 θ=π\theta = \pi 就得到那个把 ee、ii、π\pi、1 和 0 串在一起的恒等式。

理想流体的运动方程

∂v∂t+(v⋅∇)v=−1ρ∇p+g∇⋅v=0\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + (\mathbf{v}\cdot\nabla)\mathbf{v} &= -\frac{1}{\rho}\nabla p + \mathbf{g} \\ \nabla\cdot\mathbf{v} &= 0 \end{aligned}

1757 年他把牛顿定律写给了流体:左边是一小团流体的加速度(第二项是它自己被自己搬运造成的,方程的非线性就出在这里),右边是压强梯度与重力。第二行说不可压缩流体不能凭空多出来。加上黏性就是纳维-斯托克斯方程,它的光滑解是否总存在,至今是七个千禧年难题之一。

伟大发现

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这些发现页把他列为关键人物。