乔治·格林
George Green1793–1841 · 生于英格兰诺丁汉斯内因顿 · 英国
一个磨坊工人自学出的一本小册子,卖了 51 份,此后成了整个物理学解方程的通用办法
1828 年,诺丁汉一家印刷所印出了一本小册子,标题是《论数学分析在电磁理论中的应用》。
它靠订阅出版,一共只征到 51 位订阅者。其中大多数是作者的熟人和当地的绅士,几乎没有人读得懂它。
作者是个磨坊工人,三十五岁,一生只上过约一年半的学。
一年半的学
格林生在诺丁汉近郊的斯内因顿,父亲是面包师。八岁那年他被送进诺丁汉的古达克学院,读了大约一年半——这是他受过的全部正规教育。
九岁起他在父亲的作坊里干活。1807 年父亲建起一座五层高的风车磨坊,格林从此以磨坊为业,一干二十多年。
他的数学是自学的。1823 年,三十岁的他加入了诺丁汉订阅图书馆——那是当地少数能借到严肃学术书籍的地方。他在那里读到拉普拉斯的《天体力学》和泊松关于电学的论文,为了读原文,他自学了法文。
他怎么学到当时英国本土还很少人掌握的欧陆分析方法,至今没有确切答案。诺丁汉没有大学,没有同行,没有导师。
那本没人看的小册子
1828 年的《论文》做了三件事。
第一,他给一个物理量起了名字。 拉普拉斯和泊松都在用一个函数,它的梯度给出力,它满足那条方程;但没人给它一个名称。格林叫它 potential function——势函数。这个词沿用至今。
第二,他给出了那条把体积积分换成边界积分的恒等式(今天叫格林恒等式)。物理上的意思是:要知道一个区域内部的场,只需要知道边界上发生了什么。
第三,也是最深远的一件——他提出了一个求解策略。
要算一个任意分布的电荷在有导体边界的情况下产生的势,直接解方程极其困难。格林的做法是:先解一个单位点电荷在同样边界条件下的情形,得到一个函数;然后把任意的电荷分布看成无数点电荷的叠加,用这个函数积分一遍就行了。
那个先解出来的函数,今天叫格林函数。
这个思路的力量在于它把”解一个具体问题”变成了”解一次基本问题,然后无限次复用”。而且它不限于电学——只要方程是线性的,它就成立。
(他在书里还用了后来被称为”镜像法”的技巧:把导体平面的影响换成一个虚拟的镜像电荷。汤姆孙 1848 年独立重新发现并推广了它。)
四十岁进大学
《论文》的订阅者里有一位爱德华·布罗姆黑德爵士,林肯郡的乡绅,剑桥毕业,认得出这本册子的分量。他写信给格林,鼓励他继续。格林隔了近两年才回信——据信是因为他起初以为那只是客套。
在布罗姆黑德的推动下,格林 1833 年进入剑桥冈维尔与凯斯学院,以四十岁的年纪读本科,和一群十八九岁的少年同班。他此前从未系统学过拉丁文和希腊文,入学考试相当吃力。
1837 年他毕业,在数学荣誉学位考试中名列第四(Fourth Wrangler)。1839 年当选凯斯学院院士。
两年后他在斯内因顿去世,年仅四十七岁。死因不详。
他在剑桥期间又写了几篇论文,涉及流体中的波、光在两种介质界面上的反射折射、以及弹性介质中的波动——最后这一项引入的边界条件与张量,今天在地震学和弹性力学里仍在用。
但他去世时,1828 年那本小册子在学界几乎无人知晓。
迟到十七年的发现
1845 年,剑桥的威廉·汤姆孙——那年二十一岁,刚考完学位——从导师霍普金斯那里听说有这么一本册子。他找了很久,最后在离开剑桥前一天从霍普金斯手里借到三份。
他带着它去了巴黎,给刘维尔和斯图姆看。据汤姆孙回忆,刘维尔读完后激动得难以自持。
汤姆孙促成《论文》1850–1854 年在克雷尔的《纯粹与应用数学杂志》上分三部分重印。它这才真正进入学界。
此后的路线很清楚:汤姆孙自己的静电学工作、斯托克斯的流体力学、麦克斯韦的电磁理论,都建立在格林的势论之上。麦克斯韦在《电磁通论》里明确称格林的《论文》是这个领域最重要的著作之一。
磨坊与西敏寺
格林的磨坊后来失火烧毁,废弃多年。1980 年代诺丁汉市政府将其修复,今天是一座科学中心,仍在磨面粉。
1993 年,格林诞辰两百周年,西敏寺为他立了一块纪念石板,就在牛顿墓附近。捐款人里有三位诺贝尔物理学奖得主。
他的名字今天在物理系每天被念到几十遍。学生们背的是”格林函数”这个术语,很少有人知道那个人一生只上过一年半的学,而且直到四十岁才第一次走进大学的门。
(本站另有一位没有肖像存世的人物是罗伯特·胡克——他的画像是在身后失落的;格林则是从未有人替他画过。)
代表方程
格林函数
先解一个点源产生的场,再把任意源看成点源的叠加。这个「先解最简单的情形,然后叠加」的策略,今天从天线设计到量子场论都在用。
格林第二恒等式
把体积内的积分换成边界面上的积分。物理上的意思是:要知道一个区域内部的场,只需要知道边界上发生了什么。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.格林《论数学分析在电磁理论中的应用》(诺丁汉,1828)——自费出版的原始小册子
- 2.格林《论数学分析在电磁理论中的应用(第一部分)》,克雷尔《纯粹与应用数学杂志》1850 年卷第 73 页
- 3.同上(第二部分),克雷尔《纯粹与应用数学杂志》1852 年卷第 356 页
- 4.同上(第三部分),克雷尔《纯粹与应用数学杂志》1854 年卷第 161 页