第十三章 樣式雷的屋頂與懸鏈線(1 / 2)

從康熙到光緒,在長達200多年的時間內,江西建昌(今江西永修)人雷發達一家七代人因長期掌管樣式房(清代承辦內廷工程建築的機構)而得名“樣式雷”。經“樣式雷”設計、承辦的大型工程有:故宮三大殿、頤和園、萬壽山、玉泉山、香山園庭、熱河避暑山莊、昌陵、圓明園東路工程、定陵、惠陵、隆恩殿等建築。2007年6月20日,聯合國教科文組織公布,“樣式雷圖檔”入選《世界記憶遺產名錄》。中國目前入選“世界記憶遺產”的項目僅5項,“樣式雷圖檔”便是其中的一項。

這個清朝禦用的皇家建築設計世家,為後世留下了許多輝煌的建築,也留下了許多營建方麵的寶貴資料,至今仍被建築界使用和研究。其中有關皇宮屋頂規製的資料,不但詳細說明了這類屋頂的等級、結構形式、材料和工藝等等,還特別指出,之所以必須做成規定的坡度和形狀,是為了達到一種功能:在下雨時使雨水會流得最快,並在離開屋簷之後能射得最遠。這種屋頂的形狀就是在數學上稱為懸鏈線的一類曲線。

早在“樣式雷”之前上百年,懸鏈線就已經在我國的橋梁建築中出現過。據明朝萬曆《新昌縣誌》所載,位於浙江省新昌縣桃沅鄉劉門塢附近的惆悵溪之上的迎仙橋(橋長29米,寬4.6米,淨跨15.6米。清代道光時重修)就是具有近似於懸鏈線拱的古石拱橋。

“樣式雷”實際上解決的是一個動力學問題,就是要尋找一種曲線,如果讓一個小球沿著這條曲線滾落,滾下來的小球將得到最大的速度,亦即使小球滾落所需的時間最短。迎仙橋則是一個靜力學問題。兩者均需要運用微分方程來解決,而結果則途同歸,都是懸鏈線。當然,不管是“樣式雷”還是迎仙橋的設計者,他們都不知道懸鏈線這種數學曲線,更不會微積分。他們的結果完全是從實踐中反複摸索、總結出來的。

在西方,懸鏈線的出現與在中國非常不同。它是作為一個抽象的問題由達·芬奇(1452—1519)首先提出來的:一條兩端固定、自然下垂的鏈子,其形狀是什麼(圖1)?懸鏈線這個名稱也是由此而來。這是個類似於迎仙橋拱的靜力學問題。巧合的是,達·芬奇生活的年代正好也是明朝。達·芬奇雖然提出了問題,卻沒得出結論。曾經有人把這個問題給過集哲學家、物理學家和數學家於一身的笛卡爾(1596—1650),他也沒能解決。大物理學家伽利略(1564—1642)認為它是拋物線,不過無法證明。此後很多年大家都相信伽利略的猜想是對的,不少數學家千方百計設法證明懸鏈線就是拋物線,直到法國的帕爾迪(pardies,1636—1673)證明了伽利略其實是錯的。帕爾迪的功勞是把大家從錯誤路線上拉了回來,然而他並沒能得到正確的表達式。直到牛頓(1643—1727)和萊布尼茲(1645—1716)發明了微積分,才使最終解決懸鏈線的問題成為可能。萊布尼茲最先在1690年的一篇文章中提到他解決了懸鏈線問題,但不知因為什麼原因萊布尼茲沒有立即發表他的結果。若幹年之後,約翰·伯努利(1667—1748)公布了他利用微分方程得到的懸鏈線表達式。同時,荷蘭數學物理學家惠更斯(huygens,1629—1695)也解決了這一問題。不過他的方法不如約翰·伯努利的漂亮。

說起伯努利,還有一段挺有趣的小故事。在我讀大學的時候,數學課程裏經常出現伯努利這個名字,而且是在多個不同的數學分支中,像伯努利數、伯努利分布、伯努利方程等等,不一而足。後來才知道數學家伯努利不止有一個。事實上,伯努利家族一共出了8個大數學家。其中最傑出的要算雅各布·伯努利(1654—1705)和約翰·伯努利。他們是親兄弟,排行第五和第十。約翰·伯努利主修的本來是物理和醫學,博士論文也是關於醫學的,但他最大的貢獻卻是在數學領域。他的數學是在雅各布指導下自學的,所以雅各布應該算是約翰的老師。不過,兄弟倆到後來卻成為了競爭對手,並且以經常爭吵而聞名。兩人曾同時致力於懸鏈線的研究。盡管建議對這個問題進行研究的是雅各布,首先得到懸鏈線的正確解的卻是約翰。這件事一直讓約翰非常得意,覺得這是他在他們兄弟之爭中的一大勝利。甚至在他哥哥去世10多年之後,在一封給朋友的信裏他仍以頗為自得的口吻講到這段往事:“你說我哥哥提出了這個問題,這是事實。但這是否表示他有一個解決的方法呢?當然不是。當他在我的建議下提出這個問題(因為是我首先想起它來的)時,不論是他還是我都不知道如何解這個問題,我們絕望地認為它是不可解的。……我哥哥的努力毫無成果;而我則幸運得多,因為我發現了徹底解決這個問題的辦法。……當我滿懷喜悅地跑去找他時,他還在與這個難題痛苦地奮戰,隻是毫無進展,始終像伽利略一樣認為懸鏈線是拋物線。我對他說停下來、停下來,別再折磨你自己了,試圖證明懸鏈線等於拋物線根本就是錯的!”