? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?惠更斯：近代自然科學(xué)的重要開(kāi)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(duì)力學(xué)的發(fā)展和光學(xué)的研究都有杰出的貢獻(xiàn)，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(kāi)拓者。他建立向心力定律，提出動(dòng)量守恒原理，并改進(jìn)了計(jì)時(shí)器。

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1629年4月14 日出生于海牙。父母是大臣和詩(shī)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(shí)曾自制一臺(tái)車(chē)床，表現(xiàn)出很強(qiáng)的動(dòng)手能力。他的祖父，也叫克里斯蒂安?惠更斯，作為秘書(shū)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(shū)，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(gè)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(gè)堅(jiān)實(shí)的教育和文化傳統(tǒng)。他的祖父積極參與到對(duì)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(guò)通信，而笛卡爾受到過(guò)惠更斯在海牙對(duì)他的很好的招待?？邓固苟∈且粋€(gè)對(duì)藝術(shù)很有品位的人，有繪畫(huà)才能，也是一個(gè)音樂(lè)家、多才的作曲家，而尤其是，一個(gè)杰出的詩(shī)人；他那些用荷蘭文和拉丁文寫(xiě)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(lè)（克里斯蒂安善于歌唱，并能演奏古大提琴[viola de gamba]，魯特詩(shī)琴[lute]和撥弦鍵琴[harpsichord]）、拉丁語(yǔ)、希臘語(yǔ)、法語(yǔ)、一些意大利語(yǔ)、以及邏輯、數(shù)學(xué)、力學(xué)、還有地理學(xué)方面有了一個(gè)背景。作為一個(gè)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(duì)實(shí)際應(yīng)用與建造的洞察力，這也成為了他后來(lái)的科學(xué)工作的特點(diǎn)。

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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(dá)（Viète）、笛卡爾、費(fèi)馬的現(xiàn)代方法。在這一時(shí)期，他的父親告訴梅森其子對(duì)落體問(wèn)題的研究，這引起了梅森的注意，也從而開(kāi)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(duì)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(dá)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(zhǎng)，而佩爾教數(shù)學(xué)。

在他的學(xué)習(xí)之后，惠更斯沒(méi)有選擇外交這個(gè)本來(lái)對(duì)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(jī)會(huì)。惠更斯一直呆在家到1666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(duì)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(shí)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(wèn)題。在1651年，《雙曲線(xiàn)、橢圓和圓的求積定理》寫(xiě)成，包括對(duì)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(lái)的歲月中，惠更斯研究了拋物線(xiàn)求長(zhǎng)、求拋物線(xiàn)旋轉(zhuǎn)面的面積、許多曲線(xiàn)如蔓葉線(xiàn)、擺線(xiàn)（與帕斯卡在1658年公開(kāi)提出的一個(gè)問(wèn)題有聯(lián)系）和對(duì)數(shù)曲線(xiàn)的切線(xiàn)和面積問(wèn)題。1657年，惠更斯關(guān)于概率問(wèn)題的論文發(fā)表，《論賭博中的計(jì)算》。

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1650年，一個(gè)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(kāi)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(yuǎn)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(shí)出了土星光環(huán)，兩者分別報(bào)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(shí)鐘》中有記述。這也造就了一些機(jī)會(huì)讓他發(fā)現(xiàn)擺線(xiàn)等時(shí)性（1659）、研究漸屈線(xiàn)和擺動(dòng)中心的理論?；莞箤?duì)離心力的研究也從1659年開(kāi)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(duì)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(shí)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(lái)到巴黎，在那里遇見(jiàn)了伽桑狄、羅伯威爾、索畢耶以及布利奧——也就是后來(lái)組建法國(guó)皇家科學(xué)院的那些學(xué)者。與他的哥哥一樣，利用在法國(guó)停留的機(jī)會(huì)，在昂熱取得了一個(gè)民法及教會(huì)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(jiàn)到了帕斯卡、奧祖以及笛沙格。后來(lái)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(huì)議，遇見(jiàn)了莫里、沃利斯以及奧登堡，而波義耳的空氣泵實(shí)驗(yàn)給他留下了深刻印象。第三次來(lái)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(huì)的會(huì)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(qǐng)他成為在巴黎即將成立的一所學(xué)院的成員；柯?tīng)栘悹柼嶙h為梅森之后在巴黎舉行的非正式學(xué)者會(huì)議，給予一個(gè)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(huì)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?yàn)榻】翟?，有兩次在海牙呆了一段時(shí)間。惠更斯身體不太好，在1670年初，他被一場(chǎng)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(huì)最卓越的會(huì)員，惠更斯獲得了很高的薪俸，并居住在皇家圖書(shū)館的一套房間中。在學(xué)會(huì)中，惠更斯鼓勵(lì)一項(xiàng)研究自然的培根式計(jì)劃。他積極參與天文觀測(cè)（例如對(duì)土星的觀測(cè)）和空氣泵實(shí)驗(yàn)中來(lái)。在1669年他闡述了他的重力起因理論，而在1678年他寫(xiě)了《論光》，其中宣布了他在1676-1677年發(fā)展出來(lái)的光的波動(dòng)理論（嚴(yán)格地說(shuō)是光的脈沖理論）。在1668-1669年，他在理論上和實(shí)驗(yàn)上，研究了阻力介質(zhì)中的物體運(yùn)動(dòng)。在1673年，他與帕平（Papin）合作，建造了一個(gè)內(nèi)燃機(jī)。而此后他也與萊布尼茲有定期接觸?；莞乖?673年開(kāi)始了他關(guān)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究，并設(shè)計(jì)出由彈簧而非鐘擺來(lái)校準(zhǔn)時(shí)間的鐘表，接著，就發(fā)生了他與胡克（Hooke）的優(yōu)先權(quán)之爭(zhēng)。在1677年他使用了顯微鏡進(jìn)行研究。

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1672年，荷蘭共和國(guó)和路易十四及其同盟者之間爆發(fā)了戰(zhàn)爭(zhēng)。奧蘭治的威廉三世上臺(tái)，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(duì)荷蘭的事業(yè)有著深切的關(guān)注，但他仍然在的柯?tīng)栘悹柋Ｗo(hù)下繼續(xù)他在學(xué)會(huì)的工作。1673年，他發(fā)表了《論擺鐘》，這是惠更斯進(jìn)入路易十四資助的職位后的第一部著作，他把它獻(xiàn)給了法國(guó)國(guó)王。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)。

又一次因?yàn)榧膊?，惠更斯?681年離開(kāi)巴黎，在1683年之前痊愈，但與此同時(shí)柯?tīng)栘悹柸ナ溃绻诎屠铔](méi)有他的支持，惠更斯因其國(guó)籍、新教信仰以及家庭與奧蘭治王室的關(guān)系，會(huì)給他招致強(qiáng)烈的反對(duì)，因此他決定呆在荷蘭。從而他的經(jīng)濟(jì)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(duì)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(zhǎng)距離航海中，他還寫(xiě)下了《被發(fā)現(xiàn)的天上的世界》。1689年6月到9月，他訪(fǎng)問(wèn)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(qiáng)烈的分歧。兩者的證據(jù)在《論光》及本書(shū)補(bǔ)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(duì)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?cái)?shù)學(xué)。

1694年，惠更斯再一次生病，這一次他沒(méi)有恢復(fù)過(guò)來(lái)。次年夏天在海牙去世。

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總的來(lái)說(shuō)，惠更斯處于富裕寬松的家庭和社會(huì)條件中，沒(méi)受過(guò)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(shí)踐與理論研究結(jié)合起來(lái)，透徹地解決某些重要問(wèn)題，形成了理論與實(shí)驗(yàn)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(dòng)說(shuō)、光學(xué)儀器等多方面作出了貢獻(xiàn)．

數(shù)學(xué)方面

惠更斯曾首先集中精力研究數(shù)學(xué)問(wèn)題，如懸鏈線(xiàn)(他發(fā)現(xiàn)懸鏈線(xiàn)既擺線(xiàn)與拋物線(xiàn)的區(qū)別)、曳物線(xiàn)、對(duì)數(shù)螺線(xiàn)等都進(jìn)行過(guò)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(jì)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(duì)于圓、二次曲線(xiàn)、復(fù)雜曲線(xiàn)、懸鏈線(xiàn)、概率問(wèn)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(wèn)題。

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光學(xué)方面

惠更斯原理是近代光學(xué)的一個(gè)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(duì)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(dòng)的振幅。因此，惠更斯原理是人類(lèi)對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的一個(gè)近似的認(rèn)識(shí)。直到后來(lái)，菲涅耳對(duì)惠更斯的光學(xué)理論作了發(fā)展和補(bǔ)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(dòng)說(shuō)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(shū)中都闡述了他的光波動(dòng)原理，即惠更斯原理。惠更斯原理認(rèn)為:對(duì)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(diǎn)都可以作為子波的波源，各個(gè)子波波源波面的包洛面就是下一個(gè)新的波面。 他認(rèn)為每個(gè)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(gè)受激微粒都變成一個(gè)球形子波的中心．他從彈性碰撞理論出發(fā)，認(rèn)為這樣一群微粒雖然本身并不前進(jìn)，但能同時(shí)傳播向四面八方行進(jìn)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(duì)雙折射提出的模型，用球和橢球方式傳播來(lái)解釋尋常光和非常光所產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象，書(shū)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(guó)科學(xué)院的一次演講中公開(kāi)反對(duì)了牛頓的光的微粒說(shuō)。他說(shuō)，如果光是微粒性的，那么光在交叉時(shí)就會(huì)因發(fā)生碰撞而改變方向?？僧?dāng)時(shí)人們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這現(xiàn)象，而且利用微粒說(shuō)解釋折射現(xiàn)象，將得到與實(shí)際相矛盾的結(jié)果。因此，惠更斯在1690年出版的《光論》一書(shū)中正式提出了光的波動(dòng)說(shuō)，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(mǎn)的解釋了光速在光密介質(zhì)中減小的原因，同時(shí)還解釋了光進(jìn)入冰洲石所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，認(rèn)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(xiàn)。他設(shè)計(jì)制造的光學(xué)和天文儀器精巧超群，如磨制了透鏡，改進(jìn)了望遠(yuǎn)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(zhǎng)的“空中望遠(yuǎn)鏡”（無(wú)管、長(zhǎng)焦距、可消色差）、展示星空的“行星機(jī)器”（即今天文館雛型）等．

他把大量的精力放在了研制和改進(jìn)光學(xué)儀器上。當(dāng)惠更斯還在荷蘭的時(shí)候，就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地設(shè)計(jì)和磨制出了望遠(yuǎn)鏡的透鏡，進(jìn)而改良了開(kāi)普勒的望遠(yuǎn)鏡?；莞估米约貉兄频耐h(yuǎn)鏡進(jìn)行了大量的天文觀測(cè)。因此，他得到的報(bào)酬是解開(kāi)了一個(gè)由來(lái)已久的天文學(xué)之謎。伽利略曾通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察過(guò)土星，他發(fā)現(xiàn)了“土星有耳朵”，后來(lái)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(duì)此問(wèn)題也進(jìn)行過(guò)研究，但都未得要領(lǐng)。“土星怪現(xiàn)象”成為了天文學(xué)上的一個(gè)謎。當(dāng)惠更斯將自己改良的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)這顆行星時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了在土星的旁邊有一個(gè)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(shí)候看上去呈現(xiàn)線(xiàn)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(cè)到了獵戶(hù)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(diǎn)的。他在研究擺中闡明了許多動(dòng)力學(xué)概念和規(guī)律（包括擺的運(yùn)動(dòng)方程，離心力、擺動(dòng)中心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念），用擺測(cè)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(yùn)動(dòng)》（1673）。他同J.沃利斯（1616～1703）和C.雷恩（1632～1723）在同一時(shí)期發(fā)現(xiàn)彈性體的碰撞規(guī)律。

在1668～1669年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)碰撞問(wèn)題征文懸賞中，他是得獎(jiǎng)?wù)咧?。他詳盡地研究了完全彈性碰撞問(wèn)題（當(dāng)時(shí)叫“對(duì)心碰撞”）。死后綜合發(fā)表于《論物體的碰撞運(yùn)動(dòng)》（1703）中，包括5個(gè)假設(shè)和13個(gè)命題。他糾正了笛卡兒不考慮動(dòng)量方向性的錯(cuò)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(gè)人手中小球的碰撞情況并把相對(duì)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(wèn)題的一個(gè)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(shí)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(wèn)題時(shí)，惠更斯發(fā)現(xiàn)了物體系的重心與后來(lái)歐勒稱(chēng)之為轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(zhǎng)度作為自然長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)、擺、物體系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力以及泥球和地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)變扁的問(wèn)題等等。這些研究對(duì)于后來(lái)萬(wàn)有引力定律的建立起了促進(jìn)作用。他提出過(guò)許多既有趣又有啟發(fā)性的離心力問(wèn)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(gè)作圓周運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)半徑成反比。這也是他對(duì)有關(guān)的伽利略擺動(dòng)學(xué)說(shuō)的擴(kuò)充。

后來(lái)，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(shí)性，這為近代游絲懷表和手表的發(fā)明創(chuàng)造了條件。