中外科学家发明家丛书:高斯-第3章
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名为“谷神星”。他继续观察这颗新星，跟踪观察几天后，他发现这是一颗
小行星。不幸的是，皮亚齐在2月21日突然病倒，观察被迫停止、他在病床
上挣扎着把观察结果告诉欧洲同行。可是，当时正值拿破仑远征埃及，地中
海已经被英国舰队严密封锁。等到欧洲天文学家们得知这个姗姗来迟的消息
时，小行星已经靠近太阳，消失在太阳耀眼的光芒之中。
这件事给当时的天文学界提出了一个难题。如何根据少量的观察结果推
算出该行星运动的轨道？当时很多著名的天文学家如蔡赫、奥尔贝斯等人千
方百计地来寻找失踪的“谷神星”，但都未成功。
高斯看了齐美尔曼送来的文章后，决定计算行星运动的轨道。高斯根据
皮亚齐提供的仅9°的一段小弧的观察数据，经过几个星期的计算，得出“谷
神星”在 360°上的运动轨道，同时创立起由三次观测决定小行星运动轨道
的计算方法。1802年，人们利用高斯的计算结果，重新找到了谷神星。从1802
年起，高斯又相继算出了智神星、婚神星和灶神星的轨道，还作了规模极大
的关于行星摄动的计算。
在计算行星运转轨道时，高斯高超的计算技术和顽强奋斗的毅力得到了
充分的体现。有一个有趣的对比，1769年，欧拉为了计算一颗彗星的轨道，
足足进行了三天紧张的工作，致使后来瞎了一只眼睛，而同样的计算，高斯
却只用了一个小时。高斯幽默地说：“如果我在3天内连续进行欧拉那样的
计算，显然，我也会双目失明的。”其实，高斯在计算时也花了很大的力气。
在计算“智神星”时，他必须算出约33。7万个数字，他1天计算3300个数
字，共花了100多天的时间。在3个多月的时间内，共记录下4000个左右的
计算结果。
高斯对此说：“我对数学上复杂的运算总是爱不释手，只要我认为是一
件有意义的事，值得向人们推荐，我都愿意竭尽全力去完成，哪怕是钻牛角
尖。”从这里，我们可以看到高斯忘我工作的精神和对科学执着追求的精神。
高斯在天文学上取得的一系列重大成就，使他名声大振，贺电、请柬、
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奖金、学位证书和科学院院士头衔纷至沓来。哥廷根市政府授予高斯“哥廷
根巨人”的光荣称号。在一次学术会议上，德国著名自然科学家洪堡 （1769
—1859）问法国大数学家拉普拉斯，谁是德国最大的数学家。拉普拉斯说：
“帕夫。”洪堡大吃一惊，问：“那么高斯呢？”拉普拉斯说：“高斯是世
界上最伟大的数学家。”
高斯是一个热爱家乡、热爱祖国的人，尽管有很多国家用高薪聘请他，
他都没有去。1802年，彼得堡科学院天文台（今普尔柯沃天文台）曾用高薪
邀请他任台长，高斯婉言谢绝了，因为资助他的斐迪南公爵不同意他去，同
时他自己也不愿离开祖国和家乡。他在1803年6月21日写给朋友鲍耶的信
中说：“我不能离开家乡去俄国彼得堡任台长，因为不仅公爵不同意我去，
而且我也十分爱我美好的祖国。如果不是令人生厌的战争阻碍我计划的实
现，我真渴望在家乡的一座小小天文台工作，对天文学、星象学和地磁学进
行深入的研究，我精神上的罗针将永远被上述工作所吸引。”
1804年，哥廷根天文台聘请高斯去任台长，高斯舍不得离开家乡布伦瑞
克，没有去。后来，因费迪南公爵被捕，在法兰西监狱一次逃亡中丧生，使
高斯想在布伦瑞克建立一座天文台的计划落空，他才在家庭生活沉重负担的
迫使下离开家乡，1807年7月25日去哥廷根天文台工作。
高斯任哥廷根天文台台长初期，正值普法战争失败。普鲁士居民要向法
国交纳10亿以上的赔偿费。高斯一家也不例外。生活虽然艰苦，但高斯从不
接受别人的馈赠。他继续进行天文学的研究工作。
1809年，高斯的第二本巨著《天体沿圆锥曲线绕日运动的理论》一书正
式出版。这部书最初是用德文写的，但是出版商为追求利润，希望高斯用拉
丁文写。为了不使这部书夭折，高斯用拉丁文改写了此书。在这部书中，他
首先公布了最小二乘法原理的应用，并阐述了在各种观测情况下，如何计算
圆锥形轨道的方法和摄动的理论。系统的论述和严谨的证明使这本书成为天
文学中的优秀著作。鉴于高斯研究行星轨道及其摄动方面的重大成就和这本
著作的出版，法国巴黎科学院在 1810年授予高斯“优秀著作和最佳天文观
测”的荣誉称号，同时颁发巨额奖金。
然而，就是这本给高斯带来荣誉的巨著。同时也给他带来了烦恼。
高斯在这部书中提到他远在1794年就发明了最小二乘法，这件事引起了
当时法国数学家勒让德的不满。勒让德在1806年《决定彗星轨道的新方法》
中提出了最小二乘法。勒让德当即给高斯写信，希望高斯不要掠人之美。高
斯表现得十分平静，他不愿意为这件事动肝火。他在写给朋友奥尔伯斯的信
中说：“似乎我的命运就是如此——我所有的理论著作都与勒让德发生了冲
突。比如，高等算术（数论）、有关椭圆弧长的超越函数的研究和几何基础，
而现在又在这里，我在1794年所应用的原理，就是为了用最简的方法求得一
些绝对不可知的真值，而令误差平方之和为最小，这一原理也同样应用于勒
让德的著作中，其中阐述得十分有根有据。”这场风波由于高斯的不申辩而
宣告平息。这在很大程度上表现了高斯不贪图名利。
此后，高斯又在天文学方面取得了一系列成果。1808年，他创立太阳等
高法求钟面时与视正午的改正数，用太阳近子午线高度求纬度的方法，还创
立同时测定钟差和纬差的多星等高法。1818年，他建立了高斯形式的任意常
数变易法和长期差理论，用以计算行星轨道要素的长期变化。用这个方法，
英国天文学家亚当斯（1819—1892）计算出狮子座流星群升高点的长期变化；
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美国希尔（1838—1914）则计算出水星、金星的长期摄动。
1815年，“高斯天文学校（现名）”正式成立，高斯在这所学校中任天
文学教授。在他精心培育下，许多优秀学生后来都成了著名的天文学家，如
莱比锡天文台台长默比乌斯、柏林天文台台长恩克、马尔堡天文台台长格尔
林和曼海姆天文台台长尼古拉等等。
从1801年至1818年，高斯在天文学领域里大展奇才，为天文学的发展
作出了应有的贡献。
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五、从事大地测量
1818年以后，高斯开始从事大地测量工作。早在18世纪初，欧洲科学
家已经开始采用大地测量的方法来计算解决地球究竟是不是一个圆球的问
题。1736年，法国曾在北欧和南美进行过用子午线弧长测量地球的工作。19
世纪以来，由于资本主义经济的不断发展，加上拿破仑统治下的法国与反法
联盟间的持续战争，地理考察和地形图的绘制被提到议事日程上来。英、法、
俄、德、意等主要资本主义国家都先后组织起庞大的测绘队伍，有计划地进
行本国领域的测绘工作。
1817年，阿尔顿天文台台长、著名天文学家舒马赫（1780—1850）受丹
麦政府委托，开始在德国北部进行测量。测量一直延伸到汉诺威公国 （前德
意志西部邦国）。舒马赫请求他的老师高斯出面向汉诺威政府提出建议。高
斯同意后，当年就向汉诺威政府提出了一份详细的报告，说明了进行大地测
量的必要性。第二年，汉诺威政府批准了高斯的计划，并拨款表示支持，高
斯被丹麦政府和汉诺威政府任命为科学顾问。
1818年10月初，高斯和舒马赫一起进行了三角网合为一体的测量。但
是，由于光标信号设备太差，这次测量没有成功。当时的首要问题是要增大
光束传输的距离，高斯的目标是让光束从蒙勃朗峰照到威尼斯，也就是说要
通过450千米的距离。这是一个在技术上和工艺上有一定难度的问题。
一次偶然的机会，高斯在拉丁堡的米哈伊诺夫架上看到了从汉堡标架上
一窗户里射出的强烈光束，这引发了他发明日光反射器的想法。1820年秋，
高斯发明的日光反射器要进行现场实验，人们闻讯赶来，都想亲眼看一看从
几百里外反射而来的太阳光束。当远方星状光束出现时，人们都欢呼起来，
他们向高斯表示祝贺，并预祝他大地测量成功。高斯十分珍爱他发明的日光
反射器，后来，他不止一次地为原先的设计作出改进，最后还试制成功被广
泛应用于大地测量的镜式六分仪。
汉诺威弧度测量工作一开始，高斯亲自参加野外测量工作。他白天观测，
夜晚计算。他自己曾作过统计，五六年间，经他亲自计算过的大地测量数据，
超过100万次。1824年，在长期艰苦的野外作业中，高斯因日夜操劳病倒了。
他的一些好友听到消息后，写信劝他不要再去野外工作了。但他用客气的口
吻回答劝他的贝赛尔说：“您多次来信强调大地测量的成果价值不大，……
好像有点浪费我的宝贵时间，……说真的，我也曾考虑过，可能世界上全部
测量成果，在一些人眼里抵不上一条定理的发明……但在我眼里，却是在追
求一个伟大的目标。”
当高斯领导的三角测量外场观测已走上正轨后，高斯就把主要精力转移
到处理观测成果的计算上来，并写出了近20篇对现代大地测量学具有重大意
义的论文。
《关于保持无穷小部分相似性的曲面向平面投影的条件》是这一系列论
文中的重要一篇。在这篇论文中，高斯提出“正形影”的概念，详细地叙述
了平面、正圆柱面、球面以及旋转椭圆面在平面上的正形投影方法。在文章
的附注中，高斯还介绍了应用椭圆面向球面正形投影理论，解决了大地测量
的计算问题。这篇论文1822年作为解决丹麦科学院提出的建立地图格网问题
的应征论文首先发表。
1827年，作为大地测量上的又一成果《论曲面的一般研究》一书出版。
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这部著作的意义不在大地测量而在数学上，它是微分几何发展史上一块重要
的里程碑，标志着以曲面为基本对象的微分几何的创立。
1844年和1847年，高斯先后发表了两篇题为《大地测量学研究》的文
章，对如何用椭圆在球面上的正形投影理论解决大地测量问题作了进一步的
回答。在前一篇论文中，高斯提供了椭圆面向球面投影时距离和方向的所有
变换公式，并以汉诺威三角网为例证，对公式的具体运用作了详细的介绍。
由于通过变换公式计算难以获得精确解，高斯用了近三年的时间，于 1847
年又创立了可直接用于椭圆面的计算方法，这种方法至今仍在大地测量学中
保持着它的实用价值。
高斯在大地测量的实践中，不断革新，丰富了大地测量学的理论。他把
天文学引进大地测量中，创造了太阳等高测定时间法，太阳近中天高度测纬
度法，特别是同时测定时间和纬度的多星等高法，广泛适用于各级精度的大
地天文定位，一直沿用至今。他把数学引进大地测量中，使用了最小二乘法
进行观测值的平差，在大地计算中推导出内插公式，他创造的高斯正投影（亦
称相似投影或等角投影），解决了将椭球曲面图形投影到球面上的问题，使
地图数学精度得以提高，从而推导出等角横切椭圆柱投影 （即高斯投影）、
立体投影、正形标准圆锥投影及双投影等公式。由于他解决了地图投影的难
题，1822年丹麦科学院授予高斯特别奖，以表彰他在大地测量方面取得的成
就。
汉诺威大地测量工作直到1848年才基本结束。这项大地测量史上的巨大
工程，如果没有高斯在理论上的仔细推敲，在观测上力图合理精确，在数据
处理上尽量周密细致的出色表现，就不能完成。在当时条件下布设这样大规
模的大地控制网，精确地确定2578个三角点的大地坐标，可以说是一项了不
起的成就。
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六、非欧几何和微分几何
早在公元前300年，古希腊数学家欧几里得在总结前人研究和实践成果
的基础上，用演绎法叙述平面几何原理，一般称为“欧氏几何”。欧几里得
提出的五条基本公里，是世界公认的最早公理化名作，其中前四条是容易理
解的。但是，第五条平行公理即在平面上过直线外一点，能，而且只能作一
条直线与该线平行，却反映出许多的复杂方面。
历史上许多数学家都试图借助前四条公理来证明平行公理，直到18世纪
时，许多做过尝试的人都一一失败了。
高斯在1792年，也就是他15岁时，已经有了非欧几何的思想。这个思
想包括两个内容，一是他意识到除欧氏几何外还存在着一个无逻辑矛盾的几
何；二是在这几何中欧氏几何的平行公理不成立。1799年，高斯在给非欧几
何的另一创立者，匈牙利数学家鲍耶 （1802—1860）的父亲的信中，再次强
调了平行公理无法在欧氏几何中加以证明的意见，并开始重视开发新几何学
的内容。从1813年起，高斯先后称他所设想的几何学为“反欧几里得几何”、
“星际几何”、“非欧几里得几何”等。高斯不仅确信新几何无逻辑矛盾，
而且还似乎相信它是可用的。1817年，高斯在给奥尔伯斯的信中说：“我愈
来愈深信我们不能证明我们的 ‘欧几里得’几何具有‘物理的’必然性，至
少不能用人类理智，也不能给予人类理智以这种证明。或许在另一个世界中
我们可能得以洞察空间的性质，而现在这是不能达到的。”后来，在汉诺威
大地测量时，高斯试图通过测量霍海哈根——布洛肯——英泽尔堡三个山头
所构成的三角形的内角和，以验证非欧几何的正确性，但未成功。
高斯关于非欧几何的思想尽管十分卓越，但他却没有及时发表，因为占
优势的传统势力并未被说服。1813年，他曾气愤地说：“在平行线的理论中，
我们现在并不比欧几里得研究得更深更好，这是数学界的耻辱。我终究相信，
在数学领域内或迟或早将会得出一个崭新的概念。”对于平行公理的被埋没，
他感到十分惋惜，说：“平行公理的论证便如粪土一样地被埋没了。”高斯
关于非欧几何学的论点，虽然没有公开发表，但是他的知己朋友们知道他的
研究情况。施魏卡特就曾称赞�
