Сэр Уильям Роуэн Гамильтон FRAS (3/4 августа 1805 – 2 сентября 1865) [1] [2] был ирландским математиком , астрономом и физиком . Он был профессором астрономии Эндрюса в Тринити-колледже в Дублине .
Гамильтон был третьим директором Дансинка, проработав там с 1827 по 1865 год. Его карьера включала изучение геометрической оптики , анализа Фурье и кватернионов , последний из которых сделал его одним из основателей современной линейной алгебры . [3] Он внес значительный вклад в оптику, классическую механику и абстрактную алгебру . Его работа имеет основополагающее значение для современной теоретической физики , особенно его переформулировка ньютоновской механики . Гамильтонова механика, включая ее гамильтонову функцию, в настоящее время занимает центральное место как в электромагнетизме , так и в квантовой механике .
Гамильтон был четвертым из девяти детей, родившихся у Сары Хаттон (1780–1817) и Арчибальда Гамильтона (1778–1819), которые жили в Дублине по адресу Доминик-стрит , дом 29 , позже перенумерованный в дом 36. Отец Гамильтона, который был родом из Дублина, работал адвокатом. К трем годам Гамильтона отправили жить к его дяде Джеймсу Гамильтону, выпускнику Тринити-колледжа , который управлял школой в замке Талботс в Триме , графство Мит. [4] [3]
Говорят, что Гамильтон проявил талант в раннем возрасте. Его дядя заметил, что Гамильтон с юных лет демонстрировал сверхъестественную способность к изучению языков — утверждение, которое оспаривается некоторыми историками, утверждающими, что у него было только базовое понимание языков. [5] : 207 В возрасте семи лет он уже добился успехов в иврите , а до того, как ему исполнилось 13 лет, он освоил под присмотром своего дяди дюжину языков: классические и современные европейские языки, персидский , арабский , хиндустани , санскрит , маратхи и малайский . [6] Акцент раннего образования Гамильтона на языках объясняется желанием его отца видеть его на службе в Британской Ост-Индской компании . [7]
Опытный вычислитель в уме , молодой Гамильтон был способен производить некоторые вычисления со многими знаками после запятой. В сентябре 1813 года американский вундеркинд в вычислениях Зера Колберн был представлен в Дублине. Колберну было 9 лет, он был на год старше Гамильтона. Они соревновались друг с другом в соревновании по устной арифметике, и Колберн вышел явным победителем. [5] : 208
В ответ на свое поражение Гамильтон стал меньше времени уделять изучению языков и больше математике. [8] [9] В возрасте десяти лет он наткнулся на латинскую копию Евклида ; а в двенадцать лет он изучил Arithmetica Universalis Ньютона . К 16 годам он охватил большую часть Principia , а также некоторые более поздние работы по аналитической геометрии и дифференциальному исчислению . [6]
В середине 1822 года Гамильтон начал систематическое изучение « Небесной механики» Лапласа . В этот период он столкнулся с тем, что, по его мнению, было логической ошибкой в «Небесной механике» , наблюдение, которое привело к тому, что Гамильтон был представлен Джону Бринкли , тогдашнему Королевскому астроному Ирландии. [7] В ноябре и декабре 1822 года он завершил свои первые три оригинальные математические работы. Во время своего первого визита в обсерваторию Дансинка он показал две из них Бринкли, который попросил, чтобы работы были доработаны. Гамильтон подчинился, и в начале 1823 года Бринкли одобрил исправленную версию. [10] В июле 1823 года Гамильтон получил место в Тринити-колледже в Дублине по результатам экзамена, в возрасте 17 лет. Его наставником там был Чарльз Бойтон, друг семьи, [3] который обратил его внимание на современную математику, опубликованную группой в Политехнической школе в Париже. [11] Джон Бринкли заметил о не по годам развитом Гамильтоне: «Этот молодой человек, я не говорю , что будет , но он уже является первым математиком своего века». [12]
Колледж присудил Гамильтону две optime s, или оценки вне графика, по греческому языку и физике. Он был первым по каждому предмету и на каждом экзамене. Он стремился выиграть стипендию Тринити-колледжа по конкурсу, [3] но этого не произошло. Вместо этого, после того как в 1826 году Бринкли был назначен епископом Клойна , [13] Гамильтон был назначен в 1827 году на вакантные должности, оставшиеся после ухода Бринкли, профессором астрономии Эндрюса и королевским астрономом Ирландии. [5] : 209 Несмотря на то, что его студенческая карьера была прервана таким образом, он получил степени как по классике, так и по математике (бакалавр в 1827 году, магистр в 1837 году).
В 1824 году Гамильтон был представлен в Эджвортстауне романистке Марии Эджворт преподобным Ричардом Батлером , викарием Трима, графство Мит , у которого его дядя Джеймс Гамильтон был викарием. [14] [15] : 5, 34 В тот же период его дядя познакомил его с семьей Диснеев в Саммерхилл-Хаусе , графство Мит. Сыновья Диснея учились в Тринити-колледже, и у Гамильтона были друзья среди них. В Саммерхилле он встретил Кэтрин Дисней, их сестру. [15] : 37 [16]
Гамильтон был увлечен Кэтрин Дисней, но ее семья не одобряла этого, и Кэтрин должна была выйти замуж за преподобного Уильяма Барлоу, брата мужа ее старшей сестры. Свадьба состоялась в 1825 году. [15] : 109, 113 Гамильтон написал в 1826 году о своих чувствах к ней в расширенной поэме «Энтузиаст». Более двадцати лет спустя, в 1847 году, он признался Джону Гершелю , что в этот период он мог бы стать поэтом. [16]
В 1825 году Гамильтон встретил Арабеллу Лоуренс , младшую сестру Сары Лоуренс , значительную корреспондентку и откровенного критика его поэзии. Это был контакт, который он установил через круг Марии Эджворт. [15] : 26 [17]
Гамильтон, ныне Королевский астроном Ирландии, поселился в Дансинкской обсерватории , где провел остаток своей жизни. [8] Он был там с 1827 года до своей смерти в 1865 году . [18] В первые годы своей жизни в Дансинке Гамильтон довольно регулярно наблюдал за небесами; [19] Он оставил рутинные наблюдения своему помощнику Чарльзу Томпсону. [20] [21] Сестры Гамильтона также поддерживали работу обсерватории. [3]
Вводные лекции Гамильтона по астрономии пользовались успехом; помимо его студентов, они привлекали учёных, поэтов и женщин. [22] Фелиция Хеманс написала свою поэму «Молитва одинокого студента», прослушав одну из его лекций. [23]
В 1827 году Гамильтон пригласил своих четырёх сестёр поселиться в обсерватории, и они вели хозяйство до его женитьбы в 1833 году. Среди них была поэтесса Элиза Мэри Гамильтон (1807–1851). [3] В 1827 году Гамильтон написал своей сестре Грейс о том, что «некоторые» сёстры Лоуренс познакомились с его сестрой Элизой в Дублине. [24] [25]
Только что назначенный в обсерваторию, Гамильтон отправился в тур по Ирландии и Англии с Александром Ниммо , который обучал его широте и долготе . [26] Один из визитов был в школу Сары Лоуренс в Гейтейкре , недалеко от Ливерпуля, где Гамильтон имел возможность оценить калькулятор Мастера Ноукса. [27] Они посетили Уильяма Вордсворта в Райдал-Маунт в сентябре того же года, где также присутствовал писатель Цезарь Отвей . [28] [29] : 410 После визита Гамильтон отправил Вордсворту многочисленные стихотворения, став его «поэтическим учеником». [30]
Когда Вордсворт посетил Дублин летом 1829 года в компании Джона Маршалла и его семьи, он остановился в Дансинке с Гамильтоном. [29] : 411 Во время второго тура по Англии с Ниммо в 1831 году Гамильтон расстался с ним в Бирмингеме , чтобы навестить сестер Лоуренс и семью по материнской линии в районе Ливерпуля. Они снова встретились в Озёрном крае , где поднялись на Хелвеллин и пили чай с Вордсвортом. Гамильтон вернулся в Дублин через Эдинбург и Глазго. [15] [31]
Гамильтон посетил Сэмюэля Тейлора Кольриджа в Хайгейте в 1832 году, чему способствовало неожиданное рекомендательное письмо, данное ему Сарой Лоуренс во время визита в Ливерпуль в марте того года. Он также нанес визит, вместе с Арабеллой, семье Уильяма Роско , который умер в 1831 году. [32] [33]
Он был христианином, которого описывали как «любителя Библии, ортодоксального и преданного члена официальной церкви», и который имел «глубокую убежденность в истинности богооткровенной религии». [34] [35] [36]
Во время учебы в Тринити-колледже Гамильтон сделал предложение сестре своего друга, чей отказ довел молодого Гамильтона до депрессии и болезни, даже до грани самоубийства. [37] В 1831 году он снова сделал предложение Эллен де Вер, сестре поэта Обри де Вера , которая также отказалась. [37] В конце концов Гамильтон женился на Хелен Мари Бейли в 1833 году, [37] дочери сельского проповедника, и имел от нее троих детей: Уильяма Эдвина Гамильтона (родился в 1834 году), Арчибальда Генри (родился в 1835 году) и Хелен Элизабет (родилась в 1840 году). [38] Семейная жизнь Гамильтона оказалась трудной и несчастливой, поскольку Бейли оказалась набожной, застенчивой, робкой и хронически больной. [37]
Гамильтон сохранил свои способности нетронутыми до последнего и продолжил задачу завершения Элементов кватернионов , которая заняла последние шесть лет его жизни. Он умер 2 сентября 1865 года после тяжелого приступа подагры . [39] Он похоронен на кладбище Маунт-Джером в Дублине.
Гамильтон внес выдающийся вклад в классическую механику и оптику .
Его первое открытие было в ранней статье, которую он передал в 1823 году Джону Бринкли, который представил ее под названием «Каустика» в 1824 году в Королевскую Ирландскую академию . Как обычно, ее передали комитету, который рекомендовал дальнейшее развитие и упрощение перед публикацией. Между 1825 и 1828 годами статья была расширена и стала более ясным изложением нового метода. [6] За этот период Гамильтон получил признание природы и важности оптики. [40]
В 1827 году Гамильтон представил теорию одной функции, теперь известную как главная функция Гамильтона , которая объединяет механику и оптическую теорию. Она помогла установить основы волновой теории света в математической физике . Он предложил ее, когда впервые предсказал ее существование в третьем дополнении к своей «Системе лучей» , прочитанной в 1832 году.
Статья Королевской Ирландской академии была окончательно озаглавлена «Теория систем лучей» (23 апреля 1827 г.), а первая часть была напечатана в 1828 г. в « Трудах Королевской Ирландской академии» . Наиболее важное содержание второй и третьей частей появилось в трех объемных приложениях (к первой части), которые были опубликованы в тех же «Трудах», и в двух статьях « Об общем методе в динамике» , которые появились в «Философских трудах» в 1834 и 1835 гг. В этих статьях Гамильтон развил свой центральный принцип «переменного действия».
Результатом этой работы является предсказание для прозрачных двуосных кристаллов (т. е. моноклинных , орторомбических или триклинных кристаллов). [41] Луч света, входящий в такой кристалл под определенным углом, выйдет в виде полого конуса лучей. Это открытие было известно как коническая рефракция . [6] Гамильтон нашел его из геометрии волновой поверхности, введенной Огюстеном-Жаном Френелем , которая имеет особую точку . [42] Существует базовое математическое объяснение этого явления, а именно, что волновая поверхность не является границей выпуклого тела. Более полное понимание ожидалось от микролокального анализа середины 20-го века, [43]
Шаг от оптики к динамике в применении метода «переменного действия» был сделан в 1827 году и доведен до сведения Королевского общества, в «Философских трудах» которого за 1834 и 1835 годы опубликованы две статьи на эту тему.
Гамильтонова механика была мощным новым методом работы с уравнениями движения . Достижения Гамильтона расширили класс механических задач, которые можно было решить. Его принцип «переменного действия» был основан на вариационном исчислении в общем классе задач, включенных в принцип наименьшего действия , который ранее изучался Пьером Луи Мопертюи , Эйлером , Жозефом Луи Лагранжем и другими. Анализ Гамильтона раскрыл более глубокую математическую структуру, чем считалось ранее, в частности симметрию между импульсом и положением. Заслуга открытия того, что сейчас называется уравнениями Лагранжа и Лагранжа, также принадлежит Гамильтону.
Оба подхода , механика Лагранжа и гамильтонов, оказались важными в изучении непрерывных классических систем в физике и квантово-механических систем: эти методы нашли применение в электромагнетизме , квантовой механике , теории относительности и квантовой теории поля . В «Словаре ирландских биографий» Дэвид Спирман пишет: [44]
Формулировка, которую он разработал для классической механики, оказалась в равной степени подходящей для квантовой теории, развитию которой она способствовала. Гамильтонов формализм не проявляет никаких признаков устаревания; новые идеи продолжают находить его наиболее естественной средой для своего описания и развития, а функция, которая теперь повсеместно известна как гамильтониан, является отправной точкой для вычислений практически в любой области физики.
Многие ученые, включая Лиувилля , Якоби , Дарбу , Пуанкаре , Колмогорова , Пригожина [45] и Арнольда , расширили работу Гамильтона в области механики , дифференциальных уравнений и симплектической геометрии . [46]
Математические исследования Гамильтона , похоже, были предприняты и доведены до своего полного развития без сотрудничества, и его труды не принадлежат ни к одной конкретной школе. Университетские власти, избравшие его на должность профессора астрономии, хотели, чтобы он тратил свое время наилучшим образом на развитие науки, без ограничений. [6]
Гамильтон сделал свое открытие алгебры кватернионов в 1843 году. [5] : 210 Среди множества предшествующих работ, связанных с этим, в 1840 году Бенджамин Олинд Родригес достиг результата, который был равен их открытию во всем, кроме названия. [47]
Гамильтон искал способы расширения комплексных чисел (которые можно рассматривать как точки на двумерной диаграмме Аргана ) до более высоких пространственных измерений. Работая с четырьмя измерениями, а не с тремя, он создал кватернионную алгебру. По словам Гамильтона, 16 октября он гулял вдоль Королевского канала в Дублине со своей женой, когда решение в виде уравнения
ему пришло в голову; затем Гамильтон вырезал это уравнение с помощью своего перочинного ножа на боковой стороне близлежащего моста Брум (который Гамильтон называл мостом Бруэм). [5] : 210
Кватернионы подразумевали отказ от коммутативного закона , что было радикальным шагом для того времени. В контексте этого прототипа геометрической алгебры Гамильтон также ввел перекрестные и скалярные произведения векторной алгебры, причем произведение кватернионов было перекрестным произведением минус скалярное произведение как скаляр . Гамильтон также описал кватернион как упорядоченное четырехэлементное кратное действительных чисел и описал первый элемент как «скалярную» часть, а остальные три как «векторную» часть. Он придумал неологизмы « тензор» и «скаляр», и был первым, кто использовал слово «вектор» в современном смысле. [48]
Гамильтон рассмотрел решение квинтики в теории уравнений , изучив результаты, полученные Нильсом Хенриком Абелем , Джорджем Джеррардом и другими в их соответствующих исследованиях. Существует статья Гамильтона о флуктуирующих функциях в анализе Фурье и изобретении годографа . Из его исследований решений, особенно с помощью численного приближения , некоторых классов физически важных дифференциальных уравнений, только части были опубликованы, с перерывами, в Philosophical Magazine . [6]
Гамильтон также представил икосианскую игру или головоломку Гамильтона . Она основана на концепции гамильтонова пути в теории графов . [3]
Гамильтон ввел в качестве метода анализа как кватернионы, так и бикватернионы , расширение до восьми измерений путем введения комплексных числовых коэффициентов . Когда его работа была собрана в 1853 году, книга Лекции по кватернионам «стала предметом последовательных курсов лекций, прочитанных в 1848 году и в последующие годы в залах Тринити-колледжа в Дублине». Гамильтон уверенно заявил, что кватернионы окажут мощное влияние как инструмент исследования.
Когда он умер, Гамильтон работал над окончательным изложением науки о кватернионах. Его сын Уильям Эдвин Гамильтон опубликовал « Элементы кватернионов» , увесистый том в 762 страницы, в 1866 году. Поскольку тираж заканчивался, Чарльз Джаспер Джоли подготовил второе издание , когда книга была разделена на два тома, первый из которых вышел в 1899 году, а второй — в 1901 году. Предметный указатель и сноски во втором издании улучшили доступность «Элементов» .
Гамильтон дважды был награжден медалью Каннингема Королевской Ирландской академии . [49] Первая награда, в 1834 году, была вручена ему за работу по конической рефракции, за которую он также получил Королевскую медаль Королевского общества в следующем году. [50] Он снова получил ее в 1848 году.
В 1835 году, будучи секретарем собрания Британской ассоциации , которое состоялось в том же году в Дублине, Гамильтон был посвящен в рыцари лордом -лейтенантом . Другие почести быстро последовали, среди которых его избрание в 1837 году на пост президента Королевской ирландской академии и редкое отличие в том, что он стал членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук . Позже, в 1864 году, недавно созданная Национальная академия наук Соединенных Штатов избрала своих первых иностранных партнеров и решила поставить имя Гамильтона на первое место в их списке. [51]
Мемориальная доска под мостом Брум, связанная с открытием кватернионов, была открыта Имоном де Валерой 13 ноября 1958 года. [52] [53] С 1989 года Национальный университет Ирландии в Мейнуте организует паломничество под названием « Прогулка Гамильтона» , в ходе которого математики совершают прогулку от обсерватории Дансинк до моста, где не сохранилось никаких следов резьбы, хотя каменная мемориальная доска увековечивает открытие. [54]
Институт Гамильтона — это научно-исследовательский институт прикладной математики в Университете Мейнута , а Королевская ирландская академия ежегодно проводит публичную лекцию Гамильтона, на которой выступали Мюррей Гелл-Манн , Фрэнк Вильчек , Эндрю Уайлс и Тимоти Гауэрс . В 2005 году отмечалось 200-летие со дня рождения Гамильтона, и ирландское правительство объявило этот год Годом Гамильтона, отдавая дань ирландской науке . Тринити-колледж в Дублине отметил этот год открытием Математического института Гамильтона . [55]
В 1943 году Ирландия выпустила две памятные марки в ознаменование столетия со дня объявления кватернионов. [56] В 2005 году Центральный банк Ирландии выпустил памятную серебряную монету достоинством 10 евро в ознаменование 200-летия со дня его рождения.
Некоторые современные математики полагают, что работа Гамильтона по кватернионам была высмеяна Чарльзом Лютвиджем Доджсоном в «Алисе в стране чудес» . В частности, чаепитие Безумного Шляпника должно было представлять глупость кватернионов и необходимость вернуться к евклидовой геометрии . [58] В сентябре 2022 года были представлены доказательства, опровергающие это предположение, которое, по-видимому, основывалось на неправильном понимании как кватернионов, так и их истории. [59]
Гамильтон женился на Хелен Бейли, дочери преподобного Генри Бейли, ректора Нина, графство Типперэри, в 1833 году; она была сестрой соседей обсерватории. [60] [15] : 108 У них было трое детей: журналист Уильям Эдвин Гамильтон (родился в 1834 году), Арчибальд Генри (родился в 1835 году) и Хелен Элиза Амелия (родилась в 1840 году). [61] Хелен оставалась со своей овдовевшей матерью на ферме Бейли, Нина в течение длительного времени, до смерти матери в 1837 году. Она также отсутствовала в Дансинке, оставаясь у сестер, большую часть времени с 1840 по 1842 год. [62] Сообщается, что супружеская жизнь Гамильтона была трудной. [5] : 209 В неспокойный период начала 1840-х годов его сестра Сидни вела его хозяйство; когда Хелен вернулась, он был счастливее после некоторой депрессии. [15] : 125, 126
В случае Гамильтона нет повода утверждать что-либо, кроме простого факта, известного всем его близким, что он был в частной исповеди, как и на публике, христианином, любителем Библии, ортодоксальным и преданным членом Государственной церкви, хотя и с самыми либеральными чувствами по всем пунктам. Он имел некоторую предрасположенность к жизни священнослужителя, но предпочитал сохранять свободу, чтобы посвящать все свое время науке: ему предложили рукоположение два епископа.
Эти мемуары были бы неполными, если бы мы не добавили, что наш покойный член, вместе с характером ученого, поэта, метафизика и великого аналитика, сочетал в себе и характер добросердечного, простодушного христианского джентльмена; мы говорим последнее, потому что сэр Уильям Гамильтон был слишком искренним человеком, чтобы когда-либо скрывать, хотя и слишком застенчивым, чтобы навязывать, свою глубокую убежденность в истинности религии откровения.
В кальвинистской[1] теологии Гамильтона, как и в теологии его шотландского друга и ученика Клерка Максвелла, Бог является создателем как вселенной, так и законов, управляющих ею. Это означает, что законные отношения между материальными объектами так же реальны, как и сами объекты. Будучи христианином, Гамильтон был убежден, что печать Бога есть на природе повсюду. Он ожидал, что Триединый Бог оставит свидетельство Троицы на всем, от трехмерного пространства в геометрии до алгебры, включающей тройки чисел. Этот «метафизический импульс», по словам Томаса Хэнкинса, его лучшего биографа двадцатого века, «заставил его заняться задачей» поиска обобщения комплексных чисел до троек.