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Christiaan Huygens (1629~1695)

  荷兰物理学家、天文学家、数学家。1629年 4月14日出生于海牙。父亲是大臣和诗人,与R.笛卡儿等学界名流交往甚密。惠更斯自幼聪慧,13岁时曾自制一台车床,表现出很强的动手能力。1645~1647年在莱顿大学学习法律与数学,1647~1649年转入布雷达学院深造。在阿基米德等人著作及笛卡儿等人直接影响下,致力于力学、光学、天文学及数学的研究。他善于把科学实践和理论研究结合起来,透彻地解决问题,因此在摆钟的发明、天文仪器的设计、弹性体碰撞和光的波动理论等方面都有突出成就。1663年他被聘为英国皇家学会第一个外国会员,1666年刚成立的法国皇家科学院选他为院士。惠更斯体弱多病,一心致力于科学事业,终生未婚。1695年7月8日在海牙逝世。

  惠更斯曾首先集中精力研究数学问题,从1651年起,对于圆、二次曲线、复杂曲线、悬链线、概率问题等发表了一些论著,他还研究了浮体和求各种形状物体的重心等问题。

  从1652年开始他研究弹性物体的碰撞。1668~1669年英国皇家学会为解决对心碰撞问题悬赏征文,惠更斯是得奖者之一。他全面细致地解决了完全弹性碰撞问题,证明了在这种碰撞中同一方向上的动量保持不变,纠正了笛卡儿不考虑动量具有方向性的错误,而且首次提出这种碰撞前后的Σmv2守恒。他还通过对比船上与岸上两人手中小球的碰撞情况的生动例子,阐明相对性原理也适用于碰撞现象。这是从特殊情况的碰撞出发首次利用相对性原理得出了守恒定律的结论。

  为适应当时天文和航海发展的需要,重力齿轮式的时计亟待改进。1656年开始,惠更斯首先将摆引入时钟,发明了摆钟,并发表了《摆钟》(1658)及《摆式时钟或用于时钟上的摆的运动的几何证明》(1673)。后者是他的代表作之一,体现了他以全新的理论给出数学上的完全解从而解决技术设计难题的特点,例如,书中提出了著名的单摆周期公式,指出单摆的运动不严格等时。而后他从证明摆线(即旋轮线)的几何性质开始,进而研究在机械上的应用,利用摆线理论设计出严格等时的摆钟结构(包括擒纵器的设置)。他提出了复摆的完整理论,并且导出与复摆振荡中心有关的一些物理问题;这是在力学上第一次求解在已知力的作用下受约束的质点系问题。他还用摆求出重力加速度的准确值,并曾建议用秒摆的长度作为自然长度标准。他在这本书和另一篇著作《关于运动及离心力》中,提出过有关圆周运动及离心力的若干重要结果,包括向心加速度概念和向心加速度公式,这有助于I.牛顿得出万有引力定律。他又研究了简谐运动及弹簧振动,并用游丝代替挂摆,设计出许多种钟表等时结构(例如海上用以测量地理经度的怀表等)。在解决以上这些问题时,他还提出了由若干重物组成的机械系统在重力作用下运动时系统的重心不可能超过原来高度,这是机械能守恒原理的最初表述形式之一。

  惠更斯早年在光学仪器和工艺方面也有不少成就。1650年起与其弟用新法研磨球面透镜,作出的望远镜质量优良,用它发现了土星光环和土卫六、猎户座星云等。他深入研究了几何光学理论和应用光学技术,例如折射定律及折射率、眼睛及眼镜片、透镜的放大率、焦深、球差与色差及其消除,以及改进望远镜与显微镜等等。他发明的目镜效果良好,被称为惠更斯目镜,至今通用。1681~1687年,他磨制了几种几十米长焦距(最长的达63米)的物镜,悬在高杆上与目镜配成色差很小无管“空中望远镜”,这种设备曾在天文观测中用了几乎一世纪。

  惠更斯在1679年向法国科学院的报告和1690年出版的《光论》中,提出了著名的光的波动理论,从数学上给出寻求光传播方向的普遍方法。他认为光在透明物质中的传播不可能是物质的转移而是某种物质运动的传递,由于这种传递是通过粒子碰撞进行的,因此,“光线不是纯几何线,光速也不是无限的”。他在假定光以太的弹性特征并对比光和声的传播现象异同的基础上,提出他的著名原理(被称为惠更斯原理):“光波发射时,传播光的每一物质粒子不只把运动传给前面的邻近粒子(与原始粒子和光源位于同一直线上),而且还应传给周围所有其他和自己接触并阻碍自己运动的粒子。因此,在每一粒子周围就产生以此粒子为中心的波”(《光论》)。这样,就引入了子波概念。利用包络面作图法,解释了光的反射、折射定律,特别是解释了冰洲石的双折射现象,区分了寻常光的球状波与非寻常光的椭圆面波。在研究两块冰洲石双折射时他发现了偏振现象,但未能解释;同时,由于他缺乏周期性概念,认为“由于这些波源受到的撞击并不具有规则的连续性,不必假定这些波之间会有等距离间隔”(同前)。由于牛顿的权威及惠更斯研究的缺陷,惠更斯的波动理论当时没有受到应有的重视。直到 19世纪初波动说经T.杨A.-J.菲涅耳等人重新阐发,才成为近代物理学中重要的组成部分。至于光以太概念在以后几个世纪的科学发展中成了重要的论题。

  惠更斯的其他科学成就还有:与R.胡克一起断定在常压下冰的熔点与水的沸点都是恒定的温度,并建议定为温标固定点(1665),但直到18世纪才被采用;研究了引力问题并推证地球为扁球形(1659);在天文望远镜上加装测微器,从而提高了观测精度(1659);改进气压计(1661);还第一个提出利用火药、蒸汽、风力等为动力的各种机器雏型(1673),可以说是研制内燃机等这类机械的开端,他的学生在他的影响下,后来制造出能实用的蒸汽机。

  惠更斯既重实验,更重推理,善于在数学理论的基础上把自然现象归于机械原因,他有力地加强了物理学在17世纪的奠基工作。

  参考书目

  A.I.Sabra, Theories of Light from Descartes to Newton, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1981.

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