【Sonic π】電路學之補充《四》無窮小算術‧上

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給我一個支點,我就可以舉起整個地球。

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阿基米德』 Archimedes Αρχιμήδης 是古希臘哲學家、數學家、物理學家、發明家、工程師與天文學家。或許因為他的父親是天文學家和數學家,因此從小十分喜愛數學。九歲時,父親送他到埃及的亞歷山大城唸書,亞歷山大城是當時西方世界的知識中心,阿基米德在那裡跟隨許多知名的數學家學習,其中有幾何學大師『歐幾里得』,由是奠定了他日後從事科學研究的基礎。多年後,阿基米德回到了故鄉『敘拉古』。雖然他的朋友曾經為他寫過『傳記』,可惜早已遺失,以至於今天連他與敘拉古的國王『希倫二世』之『關係』都不能清楚明白的了。總之,回國後的阿基米德受到國王的禮遇,經常出入宮廷,並常與國王和大臣們閒話家常或是暢談國事。

據聞阿基米德經常為了研究而廢寢忘食,他的住處,隨處可見數字和方程式,地上與牆上則是畫滿了各式各樣的圖形,國王大概也知道阿基米德驚人的研究精神,於是他出了一個難題 ── 真假皇冠 ── 給阿基米德去解決。這個難題讓阿基米德苦惱不已好些日子,一天,在洗澡時,他突然注意到︰當他坐入浴盆裡時,水位上升了,因而想到了『上升了的水位應當等於王冠的體積,因此只要拿與王冠等重量的金子,放到水裡,測出它的體積,……』。此時阿基米德不禁高興的從浴盆裡跳了出來,光著身體就跑了出去,還邊跑邊喊『尤里卡!尤里卡!』 εύρηκα 。這個希臘文『尤里卡』的意思就是『我發現了!』  Eureka!,果然給『浮力理論』添上一抹傳奇色彩的啊!

之後希倫二世國王又遇到了一個棘手的問題:國王替埃及托勒密王造了一艘船,因為太大太重,無法將船放進海裡。國王於是就對阿基米德說︰『你連地球都舉得起來,把一艘船放進海裡應該沒問題的吧?』。因此阿基米德巧妙地組合各種機械,造出一架機具,在一切準備妥當後,將牽引機具的繩子交給國王,國王輕輕一拉,大船果然移動下水,這讓希倫二世大為讚嘆,直說︰『從今天起,阿基米德說些什麼我們都該相信。』。

其實,阿基米德對於機械的研究源自於他在亞歷山大城求學時期。傳說有一天阿基米德在久旱的尼羅河邊散步,看到農民提水澆地相當費力辛苦。經過一番思考之後,他發明了一種利用螺旋在管內旋轉而將水吸上來的工具,後世的人把它叫做『阿基米德螺旋提水器』,直到二千年後的現代,埃及還有人使用這種器械。這個工具也就是『螺旋推進器』的先祖。

公元前三世紀末正是羅馬共和國與北非迦太基帝國,為了爭奪西西里島的霸權而開戰的時期。希倫二世還花了數年大規模重修整建敘拉古城的城防,依舊由阿基米德規劃設計,城牆上還安裝阿基米德設計的投石機與弩機。這套固若金湯的城防,讓希倫過世之後的前二一四年,羅馬艦隊馬克盧斯進行敘拉古圍城戰時吃足了大苦頭。馬克盧斯不得不苦笑的承認:『這是一場羅馬艦隊與阿基米德一人的戰爭』。由於久攻不下,馬克盧斯改變策略,以圍城的持久戰來斷絕城內糧食,這個妙計使得阿基米德也無可奈何。公元前二一二年敘拉古終於被羅馬軍隊攻陷,相傳羅馬軍隊進城時,阿基米德正在自家宅前的地上畫圖研究幾何問題,一個羅馬戰士走近沉思中的阿基米德,並把地上所畫的圖形踩壞了。阿基米德說:『站開些,別踩壞我的圖形!』戰士一聽十分生氣,於是拔出刀來,直朝阿基米德身上刺去,這位時年七十四歲之偉大的科學家就一命嗚呼了!!。馬克盧斯聽到這消息後十分悲痛,於是為阿基米德建了一座刻有球內切圓柱圖形的墓,來表達他對這位偉大科學家與偉大對手的敬意。

對阿基米德來說,『機械』和『物理』的研究與發明只算次要的,他更有興趣的是『純理論』方面的研究,尤其是在『數學』和『天文學』方面。在數學方面,阿基米德使用『無窮小』量的『概念』來『分析』問題,『論證』時,他利用『窮盡法』與『反證法』陳述『答案』。藉此阿基米德算出球面積、球體積、拋物線、橢圓面積等等。尤其在球體和圓柱的研究中,阿基米德假設,一個『任意之數』在自加足夠多次以後,可以大於『任意給定』的數。在今天這被稱之為『實數』的『阿基米德性質』。就像他做出圓的『外接多邊形』和『內接多邊形』。隨著多邊形的邊數增加,將會越來越『逼近』於圓。 當邊數多達九十六邊時,阿基米德計算出了面積,並且指出『圓周率』的值界於  3.140845< \pi <3.142857。這個『無窮小』與『窮盡法』就是『微積分』 calculus 的先河。在天文學方面,他曾經運用『水力』製作一座『天象儀』,球面上有日、月、星辰、五大行星,根據記載,這個天象儀不但運行精確,連何時會發生『日月食』都能加以預測。晚年時阿基米德開始懷疑『地球中心』學說,猜想地球有可能繞太陽轉動,一直要等到『哥白尼』的時代才被人們提出來討論!

經由研究古代『再生羊皮書』上的文字,科學家發現了失傳的阿基米德手稿,並加以解讀。在殘卷《方法》命題十四中,阿基米德提出了『無窮大』的概念,是現代『集合論』的基礎。在殘卷《胃痛》中,現代科學家發現,阿基米德經由一種希臘圖形遊戲 ── 胃痛 ──,研究以十四片碎片組成正方形的所有拼法,成為『組合學』最早的開端。

假使阿基米德的許多研究不曾『失落』,如果阿基米德不是被人殺死,能夠持續的研究下去,今天的世界又會是怎麼樣子的呢?要是『無窮小』量可以像一般的『』進行普通的『數學運算』,那麼『微積分』是不是就會變成更『直觀』而且容易『掌握』的呢??