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世界欠了她们一份铭记,那些改变世界却不为人知的女科学家

哲学园 <更多内容 2018-03-13 09:18:14

原标题:世界欠了她们一份铭记,那些改变世界却不为人知的女科学家

来源:科普中央厨房

转自:中科院物理所

如涉版权请联系编辑微信 @iwish89

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科学界始终在涌现大批杰出女性,但目前,女性科研工作者人数仅占总体的28%。今天让我们深入了解改变世界却鲜有人知的四位女科学家。

文/记者 刘辛味 编辑/吉菁菁

新媒体编辑/房永珍

历史上有无数巾帼不让须眉的杰出女性为我们的社会做出了重要贡献,在科学领域更是如此。可是,如果让你说出一位女科学家的名字,除了居里夫人外,你还能说出几位?今天就让我们来回顾一下科学史上出类拔萃,却鲜少被提及的四位女科学家。

希帕蒂亚

有史记载的第一位女数学家

我们要聊的第一位女科学家是希帕蒂亚(Hypatia),她的故事有点早,早到那个时候还没有现代意义上的科学家,而且有必要先了解一下她当时所处的时代背景。

希帕蒂亚(生于350-370年,死于415年)出生于亚历山大,这个埃及北部的港口小城在公元前322年被亚历山大大帝统治后,逐渐成为了一座 “超级城市”,除了汇聚来自四面八方的人,极大地发展了经济贸易,这里还有一座和世界七大奇迹之一亚历山大灯塔齐名的博物馆(不是今天意义上的博物馆),是当时的学术中心。据说博物馆内的图书馆收藏了几乎所有记载古代人类文明的典籍,比如亚里士多德等哲学家的原稿。

▲希帕蒂亚被誉为历史上第一位女数学家,在20世纪被誉为女权运动的先驱。(来源:realmofhistory)

但是,希帕蒂亚出生的年代,已是宗教统治的社会,所有推动社会运行的东西都受到了宗教的抑制,博物馆甚至变得“荒凉”,崇尚科学真理、有才学的人士生活在水深火热之中。希帕蒂亚的父亲塞翁(Theon of Alexandria)是希腊数学家和天文学家,在博物馆工作,传授知识研究学问,可谓当时最有知识的人。不过那时希腊数学已逐渐趋于衰落,甚至有生命之危,他还是勤勤恳恳地在博物馆工作,尽量避开了宗教斗争。

希帕蒂亚家里常有学者做客,受父亲影响,她从小就对数学充满兴趣,到了10岁左右就已经掌握了相当丰富的算术和几何知识,可谓天才少女。思想开放的塞翁很重视希帕蒂亚的天赋,极力培养(为了成为“完美”的人还加入体育教育),到20岁时她几乎阅读过了所有数学巨著,水平已和自己父亲相当。为了继续追求学问,她还出海“留学”,到雅典继续学习,回来后在博物馆教授数学和天文学。说到这里,希帕提娅已经做了此前从未有女性做过的事。

▲经过希帕蒂亚编辑过的《几何原本》,图中为9世纪时的版本。(来源:WIKI)

希帕蒂亚有什么学术成就呢?首先遗憾的是,希帕蒂亚并没有独立著作流传下来,因为在她的时代学者更多的是去保存并研究古典学术,但她依然做了非常了不起的工作。

欧几里得的《几何原本》,是今天中学课本中依然在学习的内容,这本流传至今的巨著在当时因为没有印刷术,只有各式各样的手抄本。二十出头的希帕蒂亚和父亲一起编辑、修改、订正,他们修订的版本成为了几个世纪以来的标准版。天文学巨著托勒密的《天文学大成》,可谓当时天文学领域最重要的文献,有着极其深刻的数学知识,也经过了希帕蒂亚和他父亲编辑批注。今天数学家仍在研究的丢番图方程(Diophantus),在1800多前希帕蒂亚就写了关于丢番图著作的十三卷本评论。她还通过研究天体运行轨迹深刻地分析了圆锥曲线,把古希腊数学家阿波罗尼斯(Apollonius of Perga)思想变成了八卷本的“普及丛书”。希帕蒂亚的学生席尼西斯(Synesius,后来成为托勒密主教)在信中记录了他要求希帕蒂亚制造星盘和液体比重计,虽然历史学家已经断定这些并非希帕蒂亚首先发明,但她的工作对当时生活实际起到了非常大的作用。

▲英国拉斐尔前派画家米切尔(Charles W. Mitchell)创作的希帕蒂亚之死。她的死亡也给希腊科学画上句号,但从另一方面讲科学在中世纪作为宗教的婢女,一定程度上还被保存了下来。(来源:WIKI)

除了这些基础研究,希帕蒂亚本身还是个哲学家,发展了新柏拉图主义,强调哲学与数学、科学结合,崇尚自由和民主。如果以370年为她出生时间,30岁的希帕蒂亚成了亚历山大新柏拉图学派的领袖,吸引了众多门徒。学者一度以听她的演说为荣幸。美貌的希帕蒂亚一生未婚,尽管有无数追求者,这位智慧与美貌并存的女神只嫁给了“真理”。

希帕蒂亚之死成为了一次历史事件,被认为是异教徒的她终究成为了宗教政治斗争的牺牲品,但她的精神永远流传了下来。

▲希帕蒂亚的故事被改编了电影《城市广场》(Agora) (来源:Film Intel)

◇ ◇ ◇

索菲·热尔曼

弹性理论先驱、数学“花木兰”

中科院物理所曹则贤研究员在思考学问的层次时,根据学者工作的影响分成了几个层次,最高层次的是“窥见上帝奥秘”,开普勒工作属最顶级,因为他发现了“上帝的杰作”:行星运动是精密漂亮的椭圆轨道。第二层级是“引起敌人的恐惧、迫害”,上文说的希帕蒂亚就是属于这里。在这下面一点的是“令批判专家组组长或让外国外行大学者路转粉的”,大哲学家康德在这里,因为他受以德国苏格拉底之称的门德尔松(Moses Mendelssohn)批判,但门德尔松最终路转粉。前两个层次实在过于稀少,但女性科学家在第三个层次还占有不少席位,这里再谈一位女数学家——索菲·热尔曼(Sophie Germain,1776-1831)。

▲热尔曼被誉为18世纪的希帕蒂亚(来源:Brain Pickings)

她的童年也同样受到了家庭熏陶,热尔曼出生于法国一个富裕的商人家庭,父亲爱好哲学和政治问题,家里还有一间收藏珍贵著作的书房。她13岁那年,法国大革命爆发,被迫禁足在家里,据说她有一天误入了书房,看到了一本数学史(L'Histoire des Mathématiques)和阿基米德之死的故事,结果打开了一扇新世界的大门!

热尔曼开始钻研数学,甚至为了学数学还自学拉丁文和希腊文,以便阅读牛顿的著作。起初,热尔曼的父母极度反对女孩学数学,不断干涉,甚至拿走卧室的油灯,冬天熄灭房间的壁炉。她就像我们偷偷在被窝里玩手机,但她是偷偷准备了蜡烛,裹着被子学数学!父母早晨见到了结了冰的墨汁,才逐渐同意她学习数学。

转眼她18岁了,父亲的书房已满足不了她的求知欲,与此同时,她家门口刚刚开放了一个新的学校,这就是后来世界顶尖名校巴黎综合理工大学。然而,踌躇满志的她发现学校不接收女性。女性不被允许进入教室,但可领取讲义,她就自学。后来,她知道了一个学生因故离开学校,热尔曼就用了他的名字顶替交作业,化名为Blanc先生。多次作业让老师认识到这是一位才子,便想约见面谈。而这个老师是法国著名数学家和物理学家拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange),读理科的朋友们一定不会对这位虐你千百遍的大牛陌生。

▲高斯说,索菲·杰曼向全世界证明,即使是一个女性,也可以在最严谨和抽象的科学领域取得成就,因此理应获得荣誉学位。(来源:azquotes)

当拉格朗日见到是一为如此才女之时,颇为赞赏,还做了她的导师。热尔曼在数学上的造诣也让她与众多世界顶级科学家建立起了联系,如数学王子高斯,勒让德等。热尔曼继续用Blanc的名字与高斯通信,最著名的是讨论关于费马大定理的工作。热尔曼证明费马大定理的工作今天被称为热尔曼定理,她的方法为之后两百年的探索奠定了基础,而费马大定理问题在1995年才最终被解决。战争时期,热尔曼通过关系保护了高斯,高斯才知道了热尔曼是女性的身份,认为她为拥有崇高的勇气,非凡的天赋,是卓越的天才。

在数论领域已有建树的热尔曼后来转向巴黎科学院提出的竞赛问题,弹性表面振动的数学理论。参赛者除了她的导师,还有泊松、柯西、拉普拉斯等大数学家,解决这个问题的人会获得至高荣誉学院奖,热尔曼先后三次向法国科学院递交论文,最终成为首个拿到了大奖的女性,她也成为了弹性理论的先驱。

但是,热尔曼最终没能参加颁奖仪式,建立埃菲尔铁塔广泛应用了弹性理论,却没有刻上她的名字,她一生也未得到一份正式职位。高斯曾建议哥廷根大学授予她名誉博士学位,她却在即将得到这一荣誉前死于乳腺癌,死亡证上只留下了“无职业未婚妇女”几个字,仅55岁。曾经作为世界科学中心的法国,只能依靠设立热尔曼奖来纪念这位了不起的女科学家。

◇ ◇ ◇

沙特莱侯爵夫人

被历史遗忘的女科学家

前面说了两个身世悲惨的女科学家,一生只爱科学,似乎个人生活少了点什么。接着聊的这位,她最著名的身份可能是她作为侯爵夫人,是大哲学家、文学家伏尔泰的情人,但她情感外的生活是一位数学家和物理学家,是她把牛顿的理论带到了法国。关于天体运动的原因,牛顿的万有引力理论能战胜法国本土的笛卡尔的旋转“以太”理论,她和伏尔泰起到了关键作用。

▲左为牛顿的理论,右为笛卡尔的理论(来源:cosmosmagazine)

沙特莱侯爵夫人(Émilie du Châtelet,1706-1749)出生于巴黎的贵族家庭,18岁时父母把他们唯一的女儿嫁给了法国东部一个古老的贵族,成了侯爵夫人。结婚后和其他的贵族女性一样,很是传统。结果就在27岁时,她第二个孩子的已经快出生时,沙特莱侯爵夫人突然对数学产生了兴趣,并开始广泛的阅读,钻研牛顿、莱布尼兹的著作,也开始学习哲学。从小受到贵族教育的沙特莱似乎早年并没有学习太多的数学,大概大牛就是这样,能感受到学习数理的乐趣。

她觉得在家中很难继续深入学习,就回到了巴黎。因为她生于的时代比热尔曼更早,或许热尔曼模仿她的交往,沙特莱侯爵夫人认识、通讯并求教的也是一群大牛。包括提出最小作用原理的莫佩尔蒂(Pierre Louis Maupertuis)、伯努利家族的科学家、克莱罗(Alexis Claude Clairau),这位集数学、天文学和地球物理学一身的大牛,证明了牛顿关于地球是扁圆的理论,他在18岁时关于曲线的研究让她成为了法国科学院院士,这是居里夫人一生未得到过荣誉。

▲沙特莱侯爵夫人家里还很多实验仪器,动手能力也很强。(来源:JSTOR Daily)

其实她的工作对于高中生来说并不陌生,我们今天知道的动能1/2mv^2,这个平方是她提出的,为建立机械能守恒定律起到了关键作用。1737年时她的一篇关于火的论文,被今天认为是预测了红外辐射的性质。1740年,她的大儿子已经13岁了,也想学习数学和物理,并没有合适的教材,她就自己写了一本《科学与哲学评论》,结果就是这本书让意大利博洛尼亚科学院授予了她院士。她另一本关于运动的书,被翻译成德语和意大利语,而当时康德作为数学物理教授,也在做相关工作,甚至一度让康德的对手污蔑他的工作是抄袭沙特莱侯爵夫人的。

▲沙特莱翻译的牛顿的《自然哲学的数学原理》

沙特莱侯爵夫人最著名的成就是她对牛顿巨著《自然哲学的数学原理》,这本集大成的书由她翻译成了法文,并给出了很多评论,修改补充了内容,哈雷彗星的行星轨道,可由她给出的方法计算出来。可惜她的翻译出版时她已经因为肺栓塞过世,但她的翻译至今仍被认为是法文版的标准翻译。书里面深刻的数学和物理思想和方法,让今天的科学家依然头疼。

▲伏尔泰和沙特莱(来源:NPR)

当然,今天人们对她感兴趣主要是因为她在27岁时结识了伏尔泰,其实她在认识伏尔泰之前,还有一位著名的年轻军人诗人,这位聪明而美丽的贵族女性也招来了流言蜚语,而在伏尔泰的笔下她是一切美德的化身。伏尔泰由于受到政治问题,去往沙特莱侯爵夫人那里避难隐居达15年,自然这段时间在学术与爱情上他们度过了一段黄金岁月。伏尔泰阅读牛顿的著作,少不了沙特莱侯爵夫人的帮助,而那个苹果砸到牛顿头上的故事,就是伏尔泰写下的。

沙特莱的个人情感生活难以评价,她最后一个孩子的父亲是前面提到那位情人……

她情感以外的生活阐释了那个时代对女性的宽容,她阅读、研究、写作、出版,在一个纯粹的男性学术世界获得了认可,只是她的工作依然也被遗忘在里历史的长河里,如今她与伏尔泰的故事被改编成各种歌剧,似乎也在提醒我们,那个时代对女性的遗忘以及发现她工作的重要意义。

◇ ◇ ◇

埃米·诺特

被爱因斯坦称为“最富有创造力的数学天才”

最后,我们聊一位离我们这个时代更近一些的女科学家,她在1935年4月14日因手术后感染而去世。同年《纽约时报》刊登了爱因斯坦纪念她的文章,“……是自女性受到高等教育以来最杰出和最富有创造性的数学天才。在最有天赋的数学家辛勤研究了几个世纪的代数领域中,她发现了一套方法,现代年轻数学家的成长已经证明了这套方法的巨大意义。通过她的方法,纯粹数学成了逻辑思想的诗篇……”她的名字是埃米·诺特(Emmy Noether,1882-1935)。

▲诺特的童年就读于女子教育学校,但当时大学还并不让女性就读。(来源:wiki)

诺特出生于犹太数学教授的家里,21岁的她进入了可谓数学中心的哥廷根大学,成为数学系唯一的女生,这里有顶级的数学家克莱因、闵可夫斯基和希尔伯特,他们一起研究了爱因斯坦的广义相对论。学生时代就发表了多篇高水平的论文, 25岁成了世界上屈指可数的女数学博士。20世纪20年代,她一直在研究抽象代数的基础性工作,从事群论、环理论、群表示论和数论的研究,这位多产的数学家为抽象代数奠定了坚实的公理化基础,使之正式发展成为了近世代数,也让人评价她为有史以来最优秀的女数学家。

36岁时,她证明了广义相对论和基本粒子物理中的两个基本定理,今天被称为诺特定理,这个关于对称性和守恒定律的工作,被认为是今天理论物理分支的诞生。杨振宁先生曾评价她的工作,对称性与守恒定律在物理上占据重要地位,因为我们在讨论原子或者分子的量子数时,量子数的观念从对称的观念而来,现在成了基本语言的一部分。

但就这样一位富有成就的女性,在当时连正式的教职都没有,当时的学者不能接受女教授,“男学生向女教师请教,是一种耻辱。”希尔伯特十分重视她的才能,希尔伯特说:“性别不是决定教师的选择标准,大学评议会不是澡堂!”最后,诺特借希尔伯特的名字做助教讲课,发挥她的才能。

好在学术界认可诺特定理后,加上爱因斯坦的推动,她在哥廷根有了一个“非官方的特别教授”职位,其实是没有薪水的志愿教授。46岁时,她才被邀请成为了莫斯科大学的客座教授,之后日子才好过起来。事实上,她不仅因为是女性受到偏见,她是犹太人,社会民主党员和和平主义者,受到了政府的牵连。

在苏黎世的数学大会上接受著名的 Ackermann-Teubner 数学奖没多久,纳粹上台,本来两耳不闻窗外才事的她也被驱逐,只能逃亡海外,这里还有此时哥廷根数学研究所所长是数学和物理学家外尔(H.Weyl),2015年中科院外尔费米子的研究如选当年十大突破,就是那个外尔。这位性格高傲的天才没有什么看得起的人物,他极力挽留诺特,但诺特还是离开了德国,来到美国普林斯顿高等研究所,在这里她成了爱因斯坦的同事。

▲“自从女性受到高等教育以来,最富有创造力的数学天才”——爱因斯坦 (来源:GramUnion)

▲不会有人想到这样一位外表普通的妇人,是史上最优秀的数学家之一。(来源:CRC)

诺特终生未婚,因为她的乐于助人、富有感染力的声音以及在教学上独特的思维,她吸引了一大批学生,这些学生被称为“诺特的儿子”。她喜欢和他们外出远足,吸引她的并非是路上风景,而是这过程探讨的数学。“戴着厚厚的眼镜穿着暗色衣服,不离身的是一块手表,一个别针和一串项链,因患有子宫肌瘤,肚子大得像一个孕妇,所以她的形象并不那么光彩照人”。

最终她在接受手术后因感染离世,本来还可以继续做出贡献的她陨落了。今天人们用各种方式怀念这位伟人,在数学和物理领域,十多个带有诺特的名词,就是她留给我们最宝贵的财富。

参考资料:

1.https://en.wikipedia.org/wiki/Hypatia

2.孔国平. 希帕蒂娅--人类历史上最早的女科学家[J]. 自然辩证法通讯, 1996(5):58-66.

3.聂建松. 古埃及美女科学家希帕蒂娅之死[J]. 世界文化, 2017(10).

4.涂兴佩. 索菲·热尔曼:数学“花木兰”[J]. 中国科技奖励, 2017(6):77-79.

5.孔国平. 热尔曼——法国科学史上的杰出女性[J]. 自然辩证法通讯, 2002, 24(4):60-66.

6.https://web.math.rochester.edu/people/faculty/doug/UGpages/sophie.html

7.https://motherboard.vice.com/en_us/article/jp5mpy/emilie-du-Chatelet-isaac-newtons-most-underappreciated-disciple-women-science

8.https://cosmosmagazine.com/mathematics/emilie-du-chatelet-woman-science-forgot

9.http://womeninscience.history.msu.edu/Biography/C-4A-0/marquise-du-chtelet/

10.https://en.wikipedia.org/wiki/%C3%89milie_du_Ch%C3%A2telet

11.http://blog.sina.com.cn/s/blog_485f2bc80102v90g.html

12.https://www.sdsc.edu/ScienceWomen/noether.html

13.http://www.nytimes.com/2012/03/27/science/emmy-noether-the-most-significant-mathematician-youve-never-heard-of.html

出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端

来源:科学加

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