? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?惠更斯：近代自然科學(xué)的重要開拓者

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2019-4-26 青野云麓

克里斯蒂安?惠更斯，荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家，1629年4月4日生于海牙，1695年7月8日卒于海牙。他是介于伽利略與牛頓之間一位重要的物理學(xué)先驅(qū)，是歷史上最著名的物理學(xué)家之一，他對力學(xué)的發(fā)展和光學(xué)的研究都有杰出的貢獻，在數(shù)學(xué)和天文學(xué)方面也有卓越的成就，是近代自然科學(xué)的一位重要開拓者。他建立向心力定律，提出動量守恒原理，并改進了計時器。

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1629年4月14 日出生于海牙。父母是大臣和詩人，與R.笛卡兒等學(xué)界名流交往甚密。

惠更斯自幼聰慧，13歲時曾自制一臺車床，表現(xiàn)出很強的動手能力。他的祖父，也叫克里斯蒂安?惠更斯，作為秘書效力于沉默者威廉以及毛里斯親王。在1625年，他的父親康斯坦丁成為親王弗雷德里克?亨利的秘書，而且正如克里斯蒂安的哥哥，另一位康斯坦丁那樣，在隨后的生涯中，一直服務(wù)于奧蘭治家族。

跟隨這個效命于奧蘭治王室的外交事務(wù)傳統(tǒng)，惠更斯家族有一個堅實的教育和文化傳統(tǒng)。他的祖父積極參與到對孩子們的教育中，于是惠更斯的父親在文學(xué)和科學(xué)方面都極為博學(xué)。他曾與梅森和笛卡爾有過通信，而笛卡爾受到過惠更斯在海牙對他的很好的招待。康斯坦丁是一個對藝術(shù)很有品位的人，有繪畫才能，也是一個音樂家、多才的作曲家，而尤其是，一個杰出的詩人；他那些用荷蘭文和拉丁文寫下的篇章，令他在荷蘭文學(xué)史上獲得了經(jīng)久不衰的地位。

就像他父親一樣，康斯坦丁積極地致力于孩子的教育?？死锼沟侔埠透绺缈邓固苟≡诩抑薪邮芨赣H和私人教師的教育，一直到16歲。兄弟倆在音樂（克里斯蒂安善于歌唱，并能演奏古大提琴[viola de gamba]，魯特詩琴[lute]和撥弦鍵琴[harpsichord]）、拉丁語、希臘語、法語、一些意大利語、以及邏輯、數(shù)學(xué)、力學(xué)、還有地理學(xué)方面有了一個背景。作為一個非常天才的學(xué)生，克里斯蒂安在幼年就展示出了兼顧理論方面的興趣以及對實際應(yīng)用與建造的洞察力，這也成為了他后來的科學(xué)工作的特點。

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從1645年5月到1647年三月，克里斯蒂安在萊頓大學(xué)學(xué)習(xí)法律與數(shù)學(xué)。其中數(shù)學(xué)是學(xué)自凡司頓。他學(xué)習(xí)了經(jīng)典數(shù)學(xué)，也學(xué)習(xí)了韋達（Viète）、笛卡爾、費馬的現(xiàn)代方法。在這一時期，他的父親告訴梅森其子對落體問題的研究，這引起了梅森的注意，也從而開始了在克里斯蒂安與梅森之間的直接通信。笛卡爾，其工作在這些年深深地影響了年輕的惠更斯，也對克里斯蒂安的工作表示興趣與欣賞。從1647年3月到1649年八月，克里斯蒂安在新成立的位于布雷達的奧蘭治學(xué)院學(xué)習(xí)法律，他的父親是這所學(xué)校的校長，而佩爾教數(shù)學(xué)。

在他的學(xué)習(xí)之后，惠更斯沒有選擇外交這個本來對他的出生和教育更自然的職業(yè)生涯。他不想要這樣的事業(yè)，而不論怎樣，隨著1650年威廉二世的去世、惠更斯家族失去了從事外交工作的首要機會?；莞挂恢贝粼诩业?666年，除了到巴黎和倫敦的三次旅行。他父親提供的資助讓他可以完全投入到對自然的研究中。這些年（1650到1666）是惠更斯的生涯中最多產(chǎn)的時期。

最初惠更斯集中于數(shù)學(xué)：面積和體積的確定，以及由帕普斯（Pappus）的工作所啟發(fā)的代數(shù)問題。在1651年，《雙曲線、橢圓和圓的求積定理》寫成，包括對圣文森特的格里高利的圓求積的反駁。而后是1654年的《圓大小的發(fā)現(xiàn)》。在接下來的歲月中，惠更斯研究了拋物線求長、求拋物線旋轉(zhuǎn)面的面積、許多曲線如蔓葉線、擺線（與帕斯卡在1658年公開提出的一個問題有聯(lián)系）和對數(shù)曲線的切線和面積問題。1657年，惠更斯關(guān)于概率問題的論文發(fā)表，《論賭博中的計算》。

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1650年，一個關(guān)于流體靜力學(xué)的手稿已經(jīng)完成。而在1652年，惠更斯將彈性碰撞的規(guī)律公式化，并開始幾何光學(xué)的學(xué)習(xí)。在1655年他讓自己與他哥哥一起，去磨制鏡片。他們制造了顯微鏡和望遠鏡。而惠更斯在1655-1656年的冬天，發(fā)現(xiàn)了土星的衛(wèi)星并辨識出了土星光環(huán)，兩者分別報告于《土星之月新觀察》和《土星系統(tǒng)》中。

1656年惠更斯發(fā)明了擺鐘。這在1658年的《時鐘》中有記述。這也造就了一些機會讓他發(fā)現(xiàn)擺線等時性（1659）、研究漸屈線和擺動中心的理論?；莞箤﹄x心力的研究也從1659年開始。在這些年中，他與許多學(xué)者的通信大量增多，那些學(xué)者有圣文森特的格里高利、沃利斯、凡司頓和斯呂塞。在1660年之后，對擺鐘在海上確定經(jīng)度的應(yīng)用研究占據(jù)了他很多的時間。

關(guān)于上面提到的旅行，第一次是1655年的7月到9月，惠更斯來到巴黎，在那里遇見了伽桑狄、羅伯威爾、索畢耶以及布利奧——也就是后來組建法國皇家科學(xué)院的那些學(xué)者。與他的哥哥一樣，利用在法國停留的機會，在昂熱取得了一個民法及教會法規(guī)“utriusque juris”博士學(xué)位。當(dāng)他第二次在巴黎停留，那是1660年10月到1661年3月，他見到了帕斯卡、奧祖以及笛沙格。后來他在去了倫敦，呆到1661年5月。在那里，惠更斯參加了格雷欣學(xué)院的會議，遇見了莫里、沃利斯以及奧登堡，而波義耳的空氣泵實驗給他留下了深刻印象。第三次來巴黎，是從1663年4月到1664年5月，中間有一次去倫敦的旅行（1663年6月到9月）。他在倫敦成為了新成立的皇家學(xué)會的會員。接著他回到巴黎，在那里從路易十四獲得了科學(xué)工作的第一筆薪俸。

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在1664年，泰弗諾找到惠更斯，請他成為在巴黎即將成立的一所學(xué)院的成員；柯爾貝爾提議為梅森之后在巴黎舉行的非正式學(xué)者會議，給予一個官方的地位以及資助。在1666年，皇家科學(xué)院成立，惠更斯接受了會員資格，并在那年5月前往巴黎。此后在巴黎一直呆到1681年，中間僅因為健康原因，有兩次在海牙呆了一段時間?；莞股眢w不太好，在1670年初，他被一場嚴(yán)重的疾病所折磨。在9月，他部分痊愈并前往海牙，在1671年6月回到巴黎。而在1675年秋，疾病復(fù)發(fā)，從1676年7月到1678年6月惠更斯再次呆在海牙。

作為學(xué)會最卓越的會員，惠更斯獲得了很高的薪俸，并居住在皇家圖書館的一套房間中。在學(xué)會中，惠更斯鼓勵一項研究自然的培根式計劃。他積極參與天文觀測（例如對土星的觀測）和空氣泵實驗中來。在1669年他闡述了他的重力起因理論，而在1678年他寫了《論光》，其中宣布了他在1676-1677年發(fā)展出來的光的波動理論（嚴(yán)格地說是光的脈沖理論）。在1668-1669年，他在理論上和實驗上，研究了阻力介質(zhì)中的物體運動。在1673年，他與帕平（Papin）合作，建造了一個內(nèi)燃機。而此后他也與萊布尼茲有定期接觸。惠更斯在1673年開始了他關(guān)于簡諧振動的研究，并設(shè)計出由彈簧而非鐘擺來校準(zhǔn)時間的鐘表，接著，就發(fā)生了他與胡克（Hooke）的優(yōu)先權(quán)之爭。在1677年他使用了顯微鏡進行研究。

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1672年，荷蘭共和國和路易十四及其同盟者之間爆發(fā)了戰(zhàn)爭。奧蘭治的威廉三世上臺，而惠更斯的父親和哥哥承擔(dān)了荷蘭的重要位置。而惠更斯留在巴黎，雖然他對荷蘭的事業(yè)有著深切的關(guān)注，但他仍然在的柯爾貝爾保護下繼續(xù)他在學(xué)會的工作。1673年，他發(fā)表了《論擺鐘》，這是惠更斯進入路易十四資助的職位后的第一部著作，他把它獻給了法國國王。這一舉動有助于加強他在巴黎的地位，但在荷蘭引起了一些反對。

又一次因為疾病，惠更斯在1681年離開巴黎，在1683年之前痊愈，但與此同時柯爾貝爾去世，而如果在巴黎沒有他的支持，惠更斯因其國籍、新教信仰以及家庭與奧蘭治王室的關(guān)系，會給他招致強烈的反對，因此他決定呆在荷蘭。從而他的經(jīng)濟狀況不像以前那樣有保障，而他可以靠家里的土地所有權(quán)而有一份收入?；莞箯奈唇Y(jié)婚。在海牙以及在靠近福爾堡附近的家庭鄉(xiāng)村別墅Hofwijck的相對孤寂的狀態(tài)中，他繼續(xù)光學(xué)研究，建造了許多鐘表，并試用于幾次長距離航海中，他還寫下了《被發(fā)現(xiàn)的天上的世界》。1689年6月到9月，他訪問英格蘭，在那里遇到了牛頓。牛頓的《原理》引起了惠更斯的仰慕之情但也激起了他強烈的分歧。兩者的證據(jù)在《論光》及本書補編的《論重力的原因》中能找到。與法蒂奧（Fatio de Duillier）的討論，與萊布尼茲的通信，以及對他的微分積分的興趣，在最后的幾年中使惠更斯的注意力轉(zhuǎn)回數(shù)學(xué)。

1694年，惠更斯再一次生病，這一次他沒有恢復(fù)過來。次年夏天在海牙去世。

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總的來說，惠更斯處于富裕寬松的家庭和社會條件中，沒受過宗教迫害的干擾，能比較自由地發(fā)揮自己的才能．他善于把科學(xué)實踐與理論研究結(jié)合起來，透徹地解決某些重要問題，形成了理論與實驗結(jié)合的工作方法與明確的物理思想，他留給人們的科學(xué)論文與著作68種，《全集》有22卷，在碰撞、鐘擺、離心力和光的波動說、光學(xué)儀器等多方面作出了貢獻．

數(shù)學(xué)方面

惠更斯曾首先集中精力研究數(shù)學(xué)問題，如懸鏈線(他發(fā)現(xiàn)懸鏈線既擺線與拋物線的區(qū)別)、曳物線、對數(shù)螺線等都進行過研究，還在概率論和微積分方面有所成就。

1657年發(fā)表的《論賭博中的計算》，就是一篇關(guān)于概率論的科學(xué)論文(他是概率論的創(chuàng)始人)，顯示了他在數(shù)學(xué)上的造詣。從1651年起，對于圓、二次曲線、復(fù)雜曲線、懸鏈線、概率問題等發(fā)表了一些論著，他還研究了浮體和求各種形狀物體的重心等問題。

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光學(xué)方面

惠更斯原理是近代光學(xué)的一個重要基本理論。但它雖然可以預(yù)料光的衍射現(xiàn)象的存在，卻不能對這些現(xiàn)象作出解釋 ，也就是它可以確定光波的傳播方向，而不能確定沿不同方向傳播的振動的振幅。因此，惠更斯原理是人類對光學(xué)現(xiàn)象的一個近似的認識。直到后來，菲涅耳對惠更斯的光學(xué)理論作了發(fā)展和補充，創(chuàng)立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才較好地解釋了衍射現(xiàn)象，完成了光的波動說的全部理論。

惠更斯在1678年給巴黎科學(xué)院的信和1690年發(fā)表的《光論》一書中都闡述了他的光波動原理，即惠更斯原理。惠更斯原理認為:對于任何一種波，從波源發(fā)射的子波中，其波面上的任何一點都可以作為子波的波源，各個子波波源波面的包洛面就是下一個新的波面。 他認為每個發(fā)光體的微粒把脈沖傳給鄰近一種彌漫媒質(zhì)（“以太”）微粒，每個受激微粒都變成一個球形子波的中心．他從彈性碰撞理論出發(fā)，認為這樣一群微粒雖然本身并不前進，但能同時傳播向四面八方行進的脈沖，因而光束彼此交*而不相互影響，并在此基礎(chǔ)上用作圖法解釋了光的反射、折射等現(xiàn)象《光論》中最精彩部分是對雙折射提出的模型，用球和橢球方式傳播來解釋尋常光和非常光所產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象，書中有幾十幅復(fù)雜的幾何圖，足以看出他的數(shù)學(xué)功底．

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另外惠更斯在巴黎工作期間曾致力于光學(xué)的研究。1678年，他在法國科學(xué)院的一次演講中公開反對了牛頓的光的微粒說。他說，如果光是微粒性的，那么光在交叉時就會因發(fā)生碰撞而改變方向?？僧?dāng)時人們并沒有發(fā)現(xiàn)這現(xiàn)象，而且利用微粒說解釋折射現(xiàn)象，將得到與實際相矛盾的結(jié)果。因此，惠更斯在1690年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎(chǔ)上，他推倒出了光的反射和折射定律，圓滿的解釋了光速在光密介質(zhì)中減小的原因，同時還解釋了光進入冰洲石所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，認為這是由于冰洲石分子微粒為橢圓形所致。

天文學(xué)方面

惠更斯在天文學(xué)方面有著很大的貢獻。他設(shè)計制造的光學(xué)和天文儀器精巧超群，如磨制了透鏡，改進了望遠鏡（用它發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)等）與顯微鏡，惠更

斯目鏡至今仍然采用，還有幾一十米長的“空中望遠鏡”（無管、長焦距、可消色差）、展示星空的“行星機器”（即今天文館雛型）等．

他把大量的精力放在了研制和改進光學(xué)儀器上。當(dāng)惠更斯還在荷蘭的時候，就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地設(shè)計和磨制出了望遠鏡的透鏡，進而改良了開普勒的望遠鏡?；莞估米约貉兄频耐h鏡進行了大量的天文觀測。因此，他得到的報酬是解開了一個由來已久的天文學(xué)之謎。伽利略曾通過望遠鏡觀察過土星，他發(fā)現(xiàn)了“土星有耳朵”，后來又發(fā)現(xiàn)了土星的“耳朵”消失了。伽利略以后的科學(xué)家對此問題也進行過研究，但都未得要領(lǐng)?！巴列枪脂F(xiàn)象”成為了天文學(xué)上的一個謎。當(dāng)惠更斯將自己改良的望遠鏡對準(zhǔn)這顆行星時，他發(fā)現(xiàn)了在土星的旁邊有一個薄而平的圓環(huán)，而且它很傾向地球公轉(zhuǎn)的軌道平面。伽利略發(fā)現(xiàn)的“土星耳朵”消失，是由于土星的環(huán)有時候看上去呈現(xiàn)線狀。以后惠更斯又發(fā)現(xiàn)了土星的衛(wèi)星--土衛(wèi)六，并且還觀測到了獵戶座星云、火星極冠等。

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力學(xué)方面

惠更斯是創(chuàng)建經(jīng)典力學(xué)的先驅(qū)。在力學(xué)方面的研究，惠更斯是以伽利略所創(chuàng)建的基礎(chǔ)為出發(fā)點的。他在研究擺中闡明了許多動力學(xué)概念和規(guī)律（包括擺的運動方程，離心力、擺動中心、轉(zhuǎn)動慣量的概念），用擺測量重力加速度，指出物體在地球赤道處受到的離心力是重量的1/289，著有《關(guān)于鐘擺的運動》（1673）。他同J.沃利斯（1616～1703）和C.雷恩（1632～1723）在同一時期發(fā)現(xiàn)彈性體的碰撞規(guī)律。

在1668～1669年英國皇家學(xué)會碰撞問題征文懸賞中，他是得獎?wù)咧弧Ｋ敱M地研究了完全彈性碰撞問題（當(dāng)時叫“對心碰撞”）。死后綜合發(fā)表于《論物體的碰撞運動》（1703）中，包括5個假設(shè)和13個命題。他糾正了笛卡兒不考慮動量方向性的錯誤，并首次提出完全彈性碰撞前后的守恒。他還研究了岸上與船上兩個人手中小球的碰撞情況并把相對性原理應(yīng)用于碰撞現(xiàn)象的研究。大約在1669年，惠更斯就已經(jīng)提出解決了碰撞問題的一個法則——“活力”守恒原理，它成為能量守恒的先驅(qū)。

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惠更斯從實踐和理論上研究了鐘擺及其理論。提出著名的單擺周期公式。在研究擺的重心升降問題時，惠更斯發(fā)現(xiàn)了物體系的重心與后來歐勒稱之為轉(zhuǎn)動慣量的量，還引入了反饋裝置——“反饋”這一物理思想今天更顯得意義重大。設(shè)計了船用鐘和手表平衡發(fā)條，大大縮小了鐘表的尺寸。他還用擺求出重力加速度的準(zhǔn)確值，并建議用秒擺的長度作為自然長度標(biāo)準(zhǔn)。

惠更斯還提出了他的離心力定理，他還研究了圓周運動、擺、物體系轉(zhuǎn)動時的離心力以及泥球和地球轉(zhuǎn)動時變扁的問題等等。這些研究對于后來萬有引力定律的建立起了促進作用。他提出過許多既有趣又有啟發(fā)性的離心力問題?；莞乖谒摹稊[鐘論》中還給出了他關(guān)于所謂的“離心力”的基本命題。他提出：一個作圓周運動的物體具有飛離中心的傾向，它向中心施加的離心力與速度的平方成正比，與運動半徑成反比。這也是他對有關(guān)的伽利略擺動學(xué)說的擴充。

后來，惠更斯和胡克還各自發(fā)現(xiàn)了螺旋式彈簧絲的振蕩等時性，這為近代游絲懷表和手表的發(fā)明創(chuàng)造了條件。