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        享譽(yù)國際的荷蘭物理學(xué)家
        ——惠更斯

        2021-03-07 21:46:20張曉森
        物理之友 2021年1期
        關(guān)鍵詞:笛卡爾望遠(yuǎn)鏡巴黎

        張曉森 王 兵

        (安徽理工大學(xué)力物學(xué)院,安徽 淮南 232001)

        1 教育背景

        克里斯蒂亞安·惠更斯出身于荷蘭的一個(gè)富裕而顯赫的家庭,他的父親康斯坦丁·惠更斯是一位熱愛自然哲學(xué)的外交官,與英國各界聯(lián)系密切,并定期與默森通信,他還是笛卡爾的摯友,對(duì)惠更斯將來躋身于那個(gè)時(shí)代的一流科學(xué)家行列有著重要影響?;莞?6歲以前在家接受私人教師的教育,他學(xué)習(xí)了幾何學(xué),早年就表現(xiàn)出對(duì)機(jī)械的愛好、繪畫和數(shù)學(xué)天賦。他早期在幾何學(xué)方面的工作給偶爾造訪的笛卡爾留下了深刻的印象,他的數(shù)學(xué)研究受到了笛卡爾的影響。

        1645年至1647年惠更斯在萊頓大學(xué)學(xué)習(xí)法律和數(shù)學(xué),1647年到1649年他在布雷達(dá)的奧蘭治學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)。通過他父親與默森的關(guān)系,惠更斯和默森之間的通信大約從這個(gè)時(shí)候開始,他們探討了很多數(shù)學(xué)問題。當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界正處于對(duì)笛卡爾哲學(xué)的激烈爭(zhēng)論之中,雖然惠更斯后來摒棄了笛卡爾的某些理論,但他贊同機(jī)械解釋在科學(xué)理論中是必需的,這對(duì)他在光和引力的研究產(chǎn)生了重要影響。

        2 游歷歐洲

        1649年惠更斯隨荷蘭外交使團(tuán)前往丹麥,他原本希望繼續(xù)前往斯德哥爾摩去拜訪德高望重的笛卡爾,但天氣原因阻礙了他的瑞典之旅?;莞乖?651年和1654年的第一批出版物涉及一些數(shù)學(xué)問題,1651年出版的《雙曲線、橢圓和圓的求積定理》指出了圣文森特的格雷戈里的方法的錯(cuò)誤,1654年的《圓大小的發(fā)現(xiàn)》也是后續(xù)類似研究的成果,在接下來的歲月中,他對(duì)各種平面曲線如懸鏈線、曳物線、對(duì)數(shù)螺線等都進(jìn)行過研究。

        后來他將注意力轉(zhuǎn)向透鏡研磨和望遠(yuǎn)鏡制作,他提出了一種新的研磨和拋光鏡片的方法。1655年惠更斯用自己研磨的透鏡制作望遠(yuǎn)鏡,觀測(cè)到了土星的一顆衛(wèi)星,同年惠更斯第一次來到巴黎,由于他那高貴的出身、富裕的家境和和藹可親的態(tài)度,使其很快融入當(dāng)時(shí)巴黎知識(shí)分子和社會(huì)名流的圈子。他向包括布利奧在內(nèi)的巴黎數(shù)學(xué)家交流了他的研究發(fā)現(xiàn),惠更斯在帕斯卡爾和費(fèi)馬之間的通信中了解到概率方面的工作,回國后很快發(fā)表了一篇關(guān)于概率論的短文——《論賭博中的計(jì)算》。

        1656年惠更斯發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的真實(shí)形狀,當(dāng)時(shí)包括羅伯瓦爾和布利奧等很多學(xué)者對(duì)此有不同的看法。布利奧表示未能探測(cè)到土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六,惠更斯意識(shí)到他可能使用的是較差的望遠(yuǎn)鏡。1659年在《土星系統(tǒng)》一文中,惠更斯解釋了土星環(huán)的形狀和變化,當(dāng)時(shí)人們都質(zhì)疑他的理論和觀察。1665年人們利用改進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡證實(shí)了惠更斯的觀測(cè)結(jié)果,包括法布里在內(nèi)的很多學(xué)者都接受了他的理論。

        天文學(xué)研究需要精確的計(jì)時(shí),這促使惠更斯解決這個(gè)問題。1656年他申請(qǐng)了第一個(gè)擺鐘的專利,這大大提高了時(shí)間測(cè)量的精度。1673年惠更斯在《鐘擺運(yùn)動(dòng)理論》一文中,總結(jié)了鐘擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,杰出的工作中包含曲率的數(shù)學(xué)理論,他完整地推導(dǎo)出了單擺振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)公式,他還推導(dǎo)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)的離心力定律。

        惠更斯于1660年回到巴黎,參加了那里舉辦的各種科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議,在這些協(xié)會(huì)中,他遇到了許多數(shù)學(xué)家,包括羅伯瓦爾、卡卡維、帕斯卡、皮埃爾·佩蒂特、德薩格和索比埃。

        1661年惠更斯訪問了倫敦,特別是為了了解英國皇家學(xué)會(huì)。沃里斯和其他英國科學(xué)家給他留下了深刻的印象,從這一天起,他深入與英國學(xué)者接觸交流。他向英國科學(xué)家展示了他的望遠(yuǎn)鏡,事實(shí)證明他的望遠(yuǎn)鏡比在英國使用的望遠(yuǎn)鏡更勝一籌,約克公爵等人利用惠更斯的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了月球和土星。在倫敦惠更斯看到了博伊爾的真空泵,這給他留下了深刻的印象,回到海牙后,他做了一些博伊爾做過的實(shí)驗(yàn)?;莞褂?663年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。當(dāng)時(shí)惠更斯為擺鐘設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利,同時(shí)他還想到了經(jīng)度問題的解決方案。

        3 在法國科學(xué)院工作

        1666年惠更斯接受了被伏爾泰譽(yù)為“治國良相”的法國財(cái)政大臣科爾伯特的邀請(qǐng),成為法國科學(xué)院的一員。那一年他來到巴黎,發(fā)現(xiàn)科學(xué)院還沒有真正組織起來。在科爾伯特的圖書館與羅伯瓦爾、卡卡維等人舉行會(huì)議之后,法國科學(xué)院搬到了皇家圖書館,作為科學(xué)院卓越的成員,惠更斯獲得了很高的薪俸,并居住在皇家圖書館,他在很大程度上是基于對(duì)英國皇家學(xué)會(huì)運(yùn)作方式的了解來組織法國科學(xué)院。

        惠更斯關(guān)于彈性體碰撞的研究表明笛卡爾碰撞定律存在錯(cuò)誤,他關(guān)于這個(gè)問題的回憶錄于1668年被送到英國皇家學(xué)會(huì)?;莞雇ㄟ^實(shí)驗(yàn)證明:兩個(gè)物體碰撞前在某一方向上的動(dòng)量等于碰撞后在該方向上的動(dòng)量,從而糾正了笛卡爾沒有考慮動(dòng)量方向的錯(cuò)誤。圓周運(yùn)動(dòng)是惠更斯在這個(gè)時(shí)期研究的課題,他也繼續(xù)思考笛卡爾基于旋渦的引力理論。在這段時(shí)間里,他已經(jīng)表現(xiàn)出對(duì)笛卡爾理論不滿的跡象,但他仍然在1669年就這個(gè)問題發(fā)表了演講,在他的演講之后,羅伯瓦爾和馬略特強(qiáng)烈地質(zhì)疑笛卡爾的理論,這可能影響了惠更斯。由于惠更斯的健康狀況一直不好,1670年他身患重病離開巴黎去了荷蘭。在離開巴黎之前,他懷疑自己將不久于人世,便把他未發(fā)表的力學(xué)論文寄給英國皇家學(xué)會(huì)。

        1671年惠更斯來到巴黎,1672年法荷戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā),惠更斯發(fā)現(xiàn)自己處于極其困難的境地,因?yàn)樵诜▏c祖國開戰(zhàn)之際,自己卻在巴黎身居高位。還好在那個(gè)時(shí)代的科學(xué)家們都覺得自己不受政治、戰(zhàn)爭(zhēng)的影響,惠更斯也能夠在朋友們的大力支持下繼續(xù)他的工作。

        1672年惠更斯和萊布尼茨在巴黎會(huì)面,此后萊布尼茨經(jīng)常訪問法國科學(xué)院。通過深入交流,萊布尼茨從惠更斯那里學(xué)到了很多數(shù)學(xué)知識(shí),惠更斯也獲悉了牛頓在望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)方面的工作。他的著作《鐘擺運(yùn)動(dòng)理論》于1673年問世,這是惠更斯接受路易十四資助的職位后發(fā)表的第一部著作,這一舉動(dòng)有助于加強(qiáng)他在巴黎的地位,但在荷蘭引起了一些反對(duì)意見。在這部著作中,惠更斯證明了擺動(dòng)的等時(shí)性,這是一個(gè)重要的理論結(jié)果,他還解決了復(fù)擺的問題,然而關(guān)于鐘擺還有很多工作要做。

        惠更斯描述了物體在真空中垂直或沿曲線下降的過程,他定義了曲線的漸屈線與漸伸線,在給出一些基本性質(zhì)之后,找到了擺線和拋物線的漸屈線,惠更斯在這項(xiàng)工作中首次嘗試研究物體而不是粒子的動(dòng)力學(xué)。

        1676年惠更斯再次患病,回到了海牙。他在那里花了兩年時(shí)間,特別研究了巴多林在冰洲石晶體中發(fā)現(xiàn)的雙折射現(xiàn)象。他還研究了光速問題,認(rèn)為光速是有限的,并很高興地知悉了羅默的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該實(shí)驗(yàn)通過觀察木星的衛(wèi)星得到了光速的近似值。1678年惠更斯再次回到巴黎,并在《光論》中提出了光的波動(dòng)說?;莞J(rèn)為一個(gè)不斷膨脹的光球的行為就好像波前的每個(gè)點(diǎn)都是同頻率和同相位的新輻射源,這就是著名的惠更斯原理。1690年《光論》正式出版,在討論光的本質(zhì)時(shí),再次表明了他對(duì)機(jī)械解釋的需求,他基于惠更斯原理對(duì)反射和折射做出了解釋,優(yōu)于牛頓的解釋。后來他因健康欠佳于1681年再次回到海牙,這是他最后一次回到海牙。經(jīng)度問題是惠更斯一生都在研究鐘表的原因,1682年當(dāng)健康恢復(fù)后,他為荷蘭東印度公司設(shè)計(jì)了一個(gè)新的航海鐘,他用游絲代替較笨重的鐘擺,設(shè)計(jì)出許多鐘表中所用的等時(shí)結(jié)構(gòu)。

        4 會(huì)見牛頓

        1683年法國名臣科爾伯特去世,沒有這位摯友的支持,惠更斯返回巴黎似乎是不可能的。1687年惠更斯的父親去世,次年他的弟弟前往英國,惠更斯倍感孤獨(dú)并思念那些可以討論科學(xué)問題的朋友。1689年他又來到英國,這次惠更斯遇見了牛頓、博伊爾和英國皇家學(xué)會(huì)的其他科學(xué)家。目前還不清楚惠更斯和牛頓進(jìn)行了哪些討論,但惠更斯對(duì)牛頓非常欽佩,但同時(shí)也表示不相信萬有引力理論,在他看來該理論非?;闹嚒;莞拐J(rèn)為當(dāng)兩個(gè)遙遠(yuǎn)的天體之間沒有任何東西時(shí),人們?cè)趺茨芟嘈潘鼈兿嗷ノ?/p>

        很明顯惠更斯認(rèn)為牛頓的引力理論從根本上沒有采用任何機(jī)械的解釋,是不可接受的。最后惠更斯孤獨(dú)地離開了英國,在他生命的最后幾年,惠更斯撰寫了關(guān)于外星生命的最早討論,并在他死后的1698年以《宇宙理論》為題發(fā)表。他繼續(xù)改進(jìn)鏡片,研制彈簧調(diào)節(jié)時(shí)鐘和新的擺鐘,惠更斯在1687年給茨爾恩豪斯的信中寫道:“巨大的困難最初是能感覺到的,這些困難只有通過實(shí)驗(yàn)才能克服。然后再構(gòu)思某些假設(shè)……但即便如此,仍有許多艱苦的工作要做,一個(gè)人不僅需要敏銳的洞察力,而且往往還需要一定程度的好運(yùn)氣?!?/p>

        惠更斯既重視實(shí)驗(yàn)也重視推理,他善于在數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上分析自然現(xiàn)象的機(jī)械原因,他的研究成果豐富了17世紀(jì)物理學(xué),他把伽利略對(duì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)處理與笛卡爾對(duì)自然終極設(shè)計(jì)的看法結(jié)合起來,他是一個(gè)熱心的笛卡爾主義者,試圖糾正這個(gè)理論體系中的錯(cuò)誤,但最后卻成了最尖銳的批評(píng)者?;莞乖谔幚砼鲎?、向心力和復(fù)擺時(shí),逐漸闡明了質(zhì)量、重量、動(dòng)量、力和功的概念,他的科學(xué)成就永遠(yuǎn)值得我們紀(jì)念。

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