Кристиан Гюйгенс , лорд Зеельхема , FRS ( / ˈ h aɪ ɡ ən z / HY -gənz , [2] США : / ˈ h ɔɪ ɡ ən z / HOY -gənz , [3] Голландский: [ˈkrɪstijaːn ˈɦœyɣə(n)s ] ⓘ ; также пишетсяГюйгенс; Латинский:Hugenius; 14 апреля 1629 — 8 июля 1695) — голландскийматематик,физик,инженер,астрономиизобретатель, считающийся ключевой фигурой внаучной революции. [4][5]В физике Гюйгенс внес плодотворный вклад воптикуимеханику, а как астроном он изучалкольца Сатурнаи открыл его крупнейший спутник,Титан. Будучи инженером и изобретателем, он усовершенствовал конструкцию телескопов и изобрелмаятниковые часы, самый точный хронометр на протяжении почти 300 лет. Талантливый математик и физик, его работы содержат первую идеализацию физической проблемы наборомматематических параметров[6]ипервое математическое и механистическое объяснениененаблюдаемогофизического явления. [7]
Гюйгенс впервые определил правильные законы упругого столкновения в своей работе De Motu Corporum ex Percussione , завершенной в 1656 году, но опубликованной посмертно в 1703 году. [8] В 1659 году Гюйгенс вывел геометрически формулу классической механики для центробежной силы в своей работе De vi. Центрифуга , за десять лет до Ньютона . [9] В оптике он наиболее известен своей волновой теорией света , которую он описал в своем «Трактате о Люмьере» (1690). Его теория света первоначально была отвергнута в пользу корпускулярной теории света Ньютона , пока в 1821 году Огюстен-Жан Френель не адаптировал принцип Гюйгенса, чтобы дать полное объяснение прямолинейного распространения и дифракционных эффектов света. Сегодня этот принцип известен как принцип Гюйгенса- Принцип Френеля .
Гюйгенс изобрел маятниковые часы в 1657 году и в том же году запатентовал их. Результатом его часовых исследований стал обширный анализ маятника в « Horologium Oscillatorium» (1673 г.), который считается одним из самых важных работ по механике 17 века. [6] Хотя книга содержит описания конструкции часов, большая часть книги представляет собой анализ маятникового движения и теорию кривых . В 1655 году Гюйгенс вместе со своим братом Константином начал шлифовать линзы для создания преломляющих телескопов . Он открыл самый большой спутник Сатурна, Титан, и первым объяснил странный внешний вид Сатурна «тонким плоским кольцом, нигде не соприкасающимся и наклоненным к эклиптике». [10] В 1662 году Гюйгенс разработал то, что сейчас называется окуляром Гюйгена , телескоп с двумя линзами для уменьшения количества дисперсии . [11]
Как математик, Гюйгенс разработал теорию эволюты и написал об азартных играх и проблеме очков в книге Ван Рекенинга «Spelen van Gluck» , которую Франс ван Скутен перевел и опубликовал как De Ratiociniis в Ludo Aleae (1657). [12] Использование ожидаемых значений Гюйгенсом и другими позже вдохновило Якоба Бернулли на работу по теории вероятностей . [13] [14]
Христиан Гюйгенс родился 14 апреля 1629 года в Гааге , в богатой и влиятельной голландской семье, [15] [16] второй сын Константина Гюйгенса . Кристиана назвали в честь его деда по отцовской линии. [17] [18] Его мать, Сюзанна ван Баерле , умерла вскоре после рождения сестры Гюйгенса. [19] У пары было пятеро детей: Константин (1628 г.), Кристиан (1629 г.), Лодевийк (1631 г.), Филипс (1632 г.) и Сюзанна (1637 г.). [20]
Константин Гюйгенс был дипломатом и советником Оранского дома , а также поэтом и музыкантом. Он широко переписывался с интеллектуалами по всей Европе; среди его друзей были Галилео Галилей , Марин Мерсенн и Рене Декарт . [21] Кристиан получил домашнее образование до шестнадцати лет и с юных лет любил играть с миниатюрами мельниц и других машин. От своего отца он получил гуманитарное образование , изучая языки, музыку , историю , географию , математику , логику и риторику , а также танцы , фехтование и верховую езду . [17] [20]
В 1644 году у Гюйгенса был наставник по математике Ян Янш Стампион , который дал 15-летнему мальчику требовательный список литературы по современной науке. [22] Позже Декарт был впечатлен его навыками в геометрии, как и Мерсенн, который окрестил его «новым Архимедом ». [23] [16] [24]
В шестнадцать лет Константин отправил Гюйгенса изучать право и математику в Лейденский университет , где он учился с мая 1645 по март 1647 года. [17] Франс ван Скутен был академиком в Лейдене с 1646 года и стал частным наставником Гюйгенса и его старший брат Константин-младший заменил Стампиона по совету Декарта. [25] [26] Ван Скутен обновил математическое образование Гюйгенса, познакомив его с работами Виета , Декарта и Ферма . [27]
Через два года, начиная с марта 1647 года, Гюйгенс продолжил обучение в недавно основанном Оранжском колледже , в Бреде , где его отец был куратором . Константин Гюйгенс принимал активное участие в работе новой коллегии, которая просуществовала только до 1669 года; ректором был Андре Риве . [28] Христиан Гюйгенс жил в доме юриста Иоганна Генрика Даубера во время учебы в колледже и посещал уроки математики у английского лектора Джона Пелла . Его время в Бреде закончилось примерно в то время, когда его брат Лодевейк, зачисленный в школу, дрался на дуэли с другим учеником. [5] [29] Гюйгенс покинул Бреду после завершения учебы в августе 1649 года и работал дипломатом в миссии с Генрихом, герцогом Нассау . [17] Это привело его в Бентхайм , затем во Фленсбург . Он отправился в Данию, посетил Копенгаген и Хельсингёр и надеялся пересечь Эресунн , чтобы навестить Декарта в Стокгольме . Это не должно было быть. [5] [30]
Хотя его отец Константин желал, чтобы его сын Кристиан стал дипломатом, обстоятельства не позволили ему стать им. Первый период без штатгальтера , начавшийся в 1650 году, означал, что Оранский дом больше не находился у власти, что устранило влияние Константина. Далее он понял, что его сын не заинтересован в такой карьере. [31]
Гюйгенс обычно писал на французском или латыни. [32] В 1646 году, ещё будучи студентом колледжа в Лейдене, он начал переписку с другом своего отца, Марином Мерсенном , который умер вскоре после этого, в 1648 году . [17] Мерсенн писал Константину о талантах своего сына к математике и лестно сравнивал его с его Архимеду 3 января 1647 г. [33]
Письма показывают ранний интерес Гюйгенса к математике. В октябре 1646 года — подвесной мост и демонстрация того, что висящая цепь — это не парабола , как думал Галилей. [34] Позже Гюйгенс в 1690 году назвал эту кривую катенарией ( цепной линией ), переписываясь с Готфридом Лейбницем . [35]
В последующие два года (1647–1648 гг.) письма Гюйгенса к Мерсенну охватывали различные темы, включая математическое доказательство закона свободного падения , утверждение Грегуара де Сен-Венсана о квадратуре круга , ошибочность которого, как показал Гюйгенс, выпрямление эллипса, снарядов и вибрирующей струны . [36] Некоторые из проблем Мерсенна в то время, такие как циклоида (он прислал трактат Гюйгенса Торричелли о кривой), центр колебаний и гравитационная постоянная , были вопросами, к которым Гюйгенс серьезно относился только позже, в 17 веке. [6] Мерсенн также писал по теории музыки. Гюйгенс предпочитал средний темперамент ; он ввел новаторство в равном темпераменте (который сам по себе не был новой идеей, но был известен Франсиско де Салинасу ), используя логарифмы для дальнейшего исследования и демонстрации его тесной связи с системой средних значений. [37]
В 1654 году Гюйгенс вернулся в дом своего отца в Гааге и смог полностью посвятить себя исследованиям. [17] У семьи был еще один дом, недалеко от Хофвейка , и он проводил там время летом. Несмотря на большую активность, его научная жизнь не позволяла ему избежать приступов депрессии. [38]
Впоследствии у Гюйгенса появился широкий круг корреспондентов, хотя и с некоторыми трудностями после 1648 года из-за пятилетней Фронды во Франции. Посещая Париж в 1655 году, Гюйгенс обратился к Исмаэлю Бульо , чтобы представиться, который отвел его на встречу с Клодом Милоном . [39] Парижская группа ученых, собравшаяся вокруг Мерсенна, держалась вместе до 1650-х годов, и Милон, взявший на себя роль секретаря, приложил некоторые усилия, чтобы поддерживать связь с Гюйгенсом. [40] Через Пьера де Каркави Гюйгенс в 1656 году переписывался с Пьером де Ферма, которым он очень восхищался. Этот опыт был горько-сладким и несколько озадачивающим, поскольку стало ясно, что Ферма выпал из основного направления исследований, и его заявления о приоритете, вероятно, в некоторых случаях не могли быть подтверждены. Кроме того, Гюйгенс к тому времени стремился применить математику к физике, в то время как Ферма беспокоили более чистые темы. [41]
Как и некоторые из его современников, Гюйгенс часто не спешил публиковать свои результаты и открытия, предпочитая вместо этого распространять свои работы посредством писем. [42] В первые годы своей карьеры его наставник Франс ван Скутен предоставлял техническую информацию и был осторожен ради своей репутации. [43]
Между 1651 и 1657 годами Гюйгенс опубликовал ряд работ, которые показали его талант к математике и его мастерство в классической и аналитической геометрии , что увеличило его влияние и репутацию среди математиков. [33] Примерно в то же время Гюйгенс начал подвергать сомнению законы столкновения Декарта , которые были в значительной степени неправильными, выведя правильные законы алгебраически, а затем и с помощью геометрии. [44] Он показал, что для любой системы тел центр тяжести системы остается неизменным по скорости и направлению, что Гюйгенс назвал сохранением «количества движения» . В то время как другие в то время изучали воздействие, теория столкновений Гюйгенса была более общей. [5] Эти результаты стали основным ориентиром и центром дальнейших дебатов в переписке и в короткой статье в Journal des Sçavans, но оставались неизвестными широкой аудитории до публикации De Motu Corporum ex Percussione ( Относительно движения сталкивающихся тела ) в 1703 году. [45] [44]
Помимо своих математических и механических работ, Гюйгенс сделал важные научные открытия: он первым идентифицировал Титан как один из спутников Сатурна в 1655 году, изобрел маятниковые часы в 1657 году и объяснил странный внешний вид Сатурна кольцом в 1659 году; все эти открытия принесли ему известность по всей Европе. [17] 3 мая 1661 года Гюйгенс вместе с астрономами Томасом Стритом и Ричардом Ривом наблюдал прохождение планеты Меркурий над Солнцем с помощью телескопа Рива в Лондоне. [46] Затем Стрит обсудил опубликованный отчет о Гевелии , полемика, организованная Генри Ольденбургом . [47] Гюйгенс передал Гевелию рукопись Иеремии Хоррокса о прохождении Венеры в 1639 году , впервые напечатанную в 1662 году. [48]
В том же году сэр Роберт Морей прислал Гюйгенсу таблицу продолжительности жизни Джона Граунта , а вскоре после этого Гюйгенс и его брат Лодевейк начали заниматься вопросом продолжительности жизни . [42] [49] Гюйгенс в конечном итоге создал первый график непрерывной функции распределения в предположении равномерного уровня смертности и использовал его для решения проблем в совместных аннуитетах . [50] Одновременно Гюйгенс, игравший на клавесине , заинтересовался теориями Саймона Стевина о музыке; однако он очень мало заботился о публикации своих теорий о созвучии , некоторые из которых были утеряны на столетия. [51] [52] За его вклад в науку Лондонское королевское общество избрало Гюйгенса научным сотрудником в 1665 году, что сделало его своим первым иностранным членом, когда ему было всего 36 лет. [53]
Академия Монмора , основанная в середине 1650-х годов, была формой, которую принял старый кружок Мерсенна после его смерти. [54] Гюйгенс принимал участие в дебатах и поддерживал тех, кто выступал за экспериментальную демонстрацию как проверку дилетантских взглядов. [55] Он посетил Париж в третий раз в 1663 году; Когда в следующем году Академия Монмора закрылась, Гюйгенс выступал за более бэконовскую программу в науке. Два года спустя, в 1666 году, он переехал в Париж по приглашению занять руководящую должность в новой Французской академии наук короля Людовика XIV . [56]
Во время учебы в Академии в Париже у Гюйгенса был важный покровитель и корреспондент в лице Жана-Батиста Кольбера , первого министра Людовика XIV. [57] Однако его отношения с Французской академией не всегда были легкими, и в 1670 году тяжело больной Гюйгенс выбрал Фрэнсиса Вернона для передачи своих документов Королевскому обществу в Лондоне в случае его смерти. [58] Однако последствия франко-голландской войны (1672–78), и особенно роль Англии в ней, возможно, повредили его более поздние отношения с Королевским обществом. [59] Роберту Гуку , как представителю Королевского общества, не хватило ловкости, чтобы справиться с ситуацией в 1673 году. [60]
Физик и изобретатель Дени Папен был помощником Гюйгенса с 1671 года. [61] Одним из их проектов, не принесших прямых плодов, был пороховой двигатель . [62] [63] Гюйгенс провел дальнейшие астрономические наблюдения в Академии, используя обсерваторию , недавно построенную в 1672 году. В 1678 году он познакомил Николааса Харцокера с французскими учеными, такими как Николя Мальбранш и Джованни Кассини . [5] [64]
Молодой дипломат Лейбниц встретил Гюйгенса во время визита в Париж в 1672 году с тщетной миссией встретиться с министром иностранных дел Франции Арно де Помпонном . Лейбниц в то время работал над счетной машиной и после короткого визита в Лондон в начале 1673 года до 1676 года обучался математике у Гюйгенса . принять преимущества исчисления бесконечно малых Лейбница . [66]
Гюйгенс вернулся в Гаагу в 1681 году после очередного приступа серьезной депрессивной болезни. В 1684 году он опубликовал Astroscopia Compendiaria о своем новом бескамерном воздушном телескопе . Он попытался вернуться во Францию в 1685 году, но отмена Нантского эдикта помешала этому шагу. Его отец умер в 1687 году, и он унаследовал Хофвейк, который в следующем году сделал своим домом. [31]
Во время своего третьего визита в Англию Гюйгенс лично встретился с Исааком Ньютоном 12 июня 1689 года. Они говорили об исландском шпате , а затем переписывались о движении с сопротивлением. [67]
Гюйгенс вернулся к математическим темам в последние годы своей жизни и наблюдал акустический феномен, ныне известный как флэнжер , в 1693 году . [68] Два года спустя, 8 июля 1695 года, Гюйгенс умер в Гааге и был похоронен, как и его отец до него, в безымянная могила в Гроте Керк . [69]
Гюйгенс никогда не был женат. [70]
Впервые Гюйгенс стал всемирно известен благодаря своим работам в области математики, опубликовав ряд важных результатов, которые привлекли внимание многих европейских геометров. [71] Гюйгенс в своих опубликованных работах предпочитал метод Архимеда, хотя в своих личных записных книжках он более широко использовал аналитическую геометрию Декарта и методы бесконечно малых Ферма . [17] [27]
Первой публикацией Гюйгенса была «Теорема о квадратуре гиперболы, эллипса и круга » , опубликованная Эльзевирами в Лейдене в 1651 году. [42] Первая часть работы содержала теоремы для вычисления области гипербол, эллипсов и кругов, которые соответствовали работе Архимеда по коническим сечениям, особенно его квадратуре параболы . [33] Вторая часть включала опровержение утверждений Грегуара де Сен-Венсана о квадратуре круга, которые он обсуждал с Мерсенном ранее.
Гюйгенс продемонстрировал, что центр тяжести сегмента любой гиперболы , эллипса или круга напрямую связан с площадью этого сегмента. Затем он смог показать взаимосвязь между треугольниками, вписанными в конические сечения, и центром тяжести этих сечений. Обобщив эти теоремы на все конические сечения, Гюйгенс расширил классические методы для получения новых результатов. [17]
Квадратура была актуальной проблемой в 1650-х годах, и через Милона Гюйгенс вмешался в дискуссию по математике Томаса Гоббса . Настойчиво пытаясь объяснить ошибки, допущенные Гоббсом, он приобрел международную репутацию. [72]
Следующей публикацией Гюйгенса была De Circuli Magnitudine Inventa ( «Новые открытия в измерении круга »), опубликованная в 1654 году. В этой работе Гюйгенс смог сократить разрыв между описанными и вписанными многоугольниками, обнаруженными в « Измерении круга» Архимеда , показав, что отношение длины окружности к ее диаметру или π должно лежать в первой трети этого интервала. [42]
Используя технику, эквивалентную экстраполяции Ричардсона , [73] Гюйгенс смог сократить неравенства, используемые в методе Архимеда; в этом случае, используя центр тяжести сегмента параболы, он смог аппроксимировать центр тяжести сегмента круга, что привело к более быстрому и точному приближению квадратуры круга. [74] Из этих теорем Гюйгенс получил два набора значений для π : первый между 3,1415926 и 3,1415927, а второй между 3,1415926533 и 3,1415926538. [75]
Гюйгенс также показал, что в случае гиперболы то же самое приближение с параболическими сегментами дает быстрый и простой метод вычисления логарифмов . [76] Он добавил сборник решений классических задач в конце работы под названием Illustrium Quorundam Issueatum Constructions ( Построение некоторых прославленных задач ). [42]
Гюйгенс заинтересовался азартными играми после того, как посетил Париж в 1655 году и несколькими годами ранее познакомился с работами Ферма, Блеза Паскаля и Жирара Дезарга . [77] В конце концов он опубликовал то, что на тот момент было наиболее последовательным изложением математического подхода к азартным играм, в книге De Ratiociniis in Ludo Aleae ( «О рассуждениях в азартных играх »). [78] [79] Франс ван Скутен перевел оригинальную голландскую рукопись на латынь и опубликовал ее в своем «Exercitationum Mathematicarum» (1657). [80] [12]
Работа содержит ранние идеи теории игр и посвящена, в частности, проблеме очков . [14] [12] Гюйгенс взял у Паскаля концепции «честной игры» и справедливого контракта (т.е. равного дележа при равных шансах) и расширил этот аргумент, создав нестандартную теорию ожидаемых значений. [81] Его успех в применении алгебры к сфере случайностей, которая до сих пор казалась недоступной для математиков, продемонстрировал силу сочетания евклидовых синтетических доказательств с символическими рассуждениями, найденными в работах Виета и Декарта. [82]
В конце книги Гюйгенс включил пять сложных задач, которые стали стандартным тестом для всех, кто хотел продемонстрировать свои математические способности в азартных играх на следующие шестьдесят лет. [83] Над этими проблемами работали Авраам де Муавр , Якоб Бернулли, Йоханнес Худде , Барух Спиноза и Лейбниц.
Ранее Гюйгенс завершил рукопись в стиле « О плавающих телах» Архимеда под названием De Iis quae Liquido Supernatant ( «О частях, плавающих над жидкостью »). Оно было написано около 1650 года и состояло из трёх книг. Хотя он отправил законченную работу Франсу ван Скутену для отзыва, в конце концов Гюйгенс решил не публиковать ее и в какой-то момент предложил сжечь ее. [33] [84] Некоторые из результатов, найденных здесь, не были заново открыты до восемнадцатого и девятнадцатого веков. [8]
Гюйгенс сначала заново выводит решения Архимеда для устойчивости сферы и параболоида, умело применяя принцип Торричелли (т. е. тела в системе движутся только в том случае, если их центр тяжести опускается). [85] Затем он доказывает общую теорему о том, что для плавучего тела, находящегося в равновесии, расстояние между его центром тяжести и его погруженной частью минимально. [8] Гюйгенс использует эту теорему для получения оригинальных решений по устойчивости плавающих конусов , параллелепипедов и цилиндров , в некоторых случаях посредством полного цикла вращения. [86] Таким образом, его подход был эквивалентен принципу виртуальной работы . Гюйгенс также был первым, кто осознал, что для этих однородных твердых тел их удельный вес и соотношение сторон являются важными параметрами гидростатической устойчивости . [87] [88]
Гюйгенс был ведущим европейским натурфилософом между Декартом и Ньютоном. [17] [89] Однако, в отличие от многих своих современников, Гюйгенс не имел вкуса к великим теоретическим или философским системам и обычно избегал решения метафизических проблем (если на него давили, он придерживался картезианской философии своего времени). [7] [33] Вместо этого Гюйгенс преуспел в расширении работ своих предшественников, таких как Галилей, и нашел решения нерешенных физических проблем, которые поддавались математическому анализу. В частности, он искал объяснения, основанные на контакте между телами и избегающие действия на расстоянии . [17] [90]
Как и Роберт Бойль и Жак Роо , Гюйгенс в годы своего пребывания в Париже отстаивал экспериментально ориентированную механическую натурфилософию. [91] Уже во время своего первого визита в Англию в 1661 году Гюйгенс узнал об экспериментах Бойля с воздушным насосом во время встречи в Грешем-колледже . Вскоре после этого он переоценил экспериментальную схему Бойля и разработал серию экспериментов, призванных проверить новую гипотезу. [92] Это оказался многолетний процесс, который вывел на поверхность ряд экспериментальных и теоретических проблем и завершился примерно в то время, когда он стал членом Королевского общества. [93] Несмотря на беспорядочное воспроизведение результатов экспериментов Бойля, Гюйгенс пришел к принятию взгляда Бойля на пустоту вопреки картезианскому отрицанию ее. [94]
Влияние Ньютона на Джона Локка было опосредовано Гюйгенсом, который заверил Локка, что математика Ньютона верна, что привело к принятию Локком корпускулярно-механической физики. [95]
Общий подход философов-механиков заключался в постулировании теорий того типа, который сейчас называется «контактным действием». Гюйгенс принял этот метод, но не без того, чтобы увидеть его ограниченность, [96] тогда как Лейбниц, его ученик в Париже, позже отказался от него. [97] Такое понимание Вселенной сделало теорию столкновений центральной в физике, поскольку только объяснения, связанные с движением материи, могли быть по-настоящему понятными. Хотя Гюйгенс находился под влиянием картезианского подхода, он был менее доктринером. [98] Он изучал упругие столкновения в 1650-х годах, но отложил публикацию более чем на десять лет. [99]
Гюйгенс довольно рано пришел к выводу, что законы Декарта для упругих столкновений во многом неверны, и сформулировал правильные законы, в том числе сохранение произведения массы на квадрат скорости для твердых тел и сохранение количества движения в одном направлении для твердых тел. все тела. [100] Важным шагом было признание им галилеевой инвариантности задач. [101] Гюйгенс разработал законы столкновения с 1652 по 1656 год в рукописи, озаглавленной « De Motu Corporum ex Percussione» , хотя на распространение его результатов потребовалось много лет. В 1661 году он лично передал их Уильяму Браункеру и Кристоферу Рену в Лондон. [102] То, что Спиноза писал о них Генриху Ольденбургу в 1666 году, во время Второй англо-голландской войны , было скрыто. [103] Война закончилась в 1667 году, и Гюйгенс объявил о своих результатах Королевскому обществу в 1668 году. Позже он опубликовал их в Journal des Sçavans в 1669 году. [99]
В 1659 году Гюйгенс нашел константу гравитационного ускорения и сформулировал то, что сейчас известно как второй закон движения Ньютона, в квадратичной форме. [104] Он вывел геометрически теперь стандартную формулу центробежной силы , действующей на объект, если смотреть во вращающейся системе отсчета , например, при движении по кривой. В современных обозначениях:
где m - масса объекта , ω - угловая скорость и r - радиус . [8] Гюйгенс собрал свои результаты в трактате под названием De vi Centrifuga , неопубликованном до 1703 года, где кинематика свободного падения была использована для создания первой обобщенной концепции силы до Ньютона. [105]
Однако общая идея центробежной силы была опубликована в 1673 году и стала значительным шагом в изучении орбит в астрономии. Это позволило перейти от третьего закона движения планет Кеплера к закону обратных квадратов гравитации. [106] Тем не менее, интерпретация Гюйгенсом работы Ньютона о гравитации отличалась от интерпретации ньютоновцев, таких как Роджер Коутс : он не настаивал на априорной позиции Декарта, но и не принимал аспекты гравитационного притяжения, которые не были объяснены принцип контакта между частицами. [107]
Подход, использованный Гюйгенсом, также упускал из виду некоторые центральные понятия математической физики, которые не были упущены из виду другими. В своих работах о маятниках Гюйгенс очень близко подошел к теории простого гармонического движения ; однако эта тема впервые была полностью раскрыта Ньютоном во второй книге «Начал математики» (1687 г.). [108] В 1678 году Лейбниц выделил из работ Гюйгенса о столкновениях идею закона сохранения , которую Гюйгенс оставил неявной. [109]
В 1657 году, вдохновленный более ранними исследованиями маятников как регулирующих механизмов, Гюйгенс изобрел маятниковые часы, которые стали прорывом в хронометрировании и стали самым точным хронометристом на протяжении почти 300 лет, вплоть до 1930-х годов. [112] Маятниковые часы были намного более точными, чем существующие часы на гранях и фолиотах , и сразу же стали популярными, быстро распространившись по Европе. До этого часы отставали примерно на 15 минут в день, тогда как часы Гюйгенса отставали примерно на 15 секунд в день. [113] Хотя Гюйгенс запатентовал и заключил контракт на изготовление своих часов с Саломоном Костером в Гааге, [114] он не заработал много денег на своем изобретении. Пьер Сегье отказал ему в каких-либо французских правах, в то время как Саймон Доу в Роттердаме и Агасфер Фромантил в Лондоне скопировали его дизайн в 1658 году . [116] [117] [118] [119]
Одной из причин изобретения маятниковых часов было создание точного морского хронометра , который можно было бы использовать для определения долготы с помощью астрономической навигации во время морских путешествий. Однако часы оказались неудачными в качестве морского хронометриста, поскольку раскачивание корабля нарушало движение маятника. В 1660 году Лодевийк Гюйгенс совершил испытание во время путешествия в Испанию и сообщил, что из-за плохой погоды часы стали бесполезными. Александр Брюс вышел на поле боя в 1662 году, и Гюйгенс призвал сэра Роберта Морея и Королевское общество выступить посредником и защитить некоторые из его прав. [120] [116] Суды продолжались и в 1660-х годах, и лучшие новости пришли от капитана Королевского флота Роберта Холмса , действовавшего против голландских владений в 1664 году . выразил тогда свои сомнения. [122]
Суд над Французской академией в экспедиции в Кайенну закончился плохо. Жан Рише предложил поправку на фигуру Земли . Ко времени экспедиции Голландской Ост-Индской компании в 1686 году на мыс Доброй Надежды Гюйгенс смог внести поправки ретроспективно. [123]
Через шестнадцать лет после изобретения маятниковых часов, в 1673 году, Гюйгенс опубликовал свой главный труд по часовому делу под названием « Horologium Oscillatorium: Sive de Motu Pendulorum ad Horologia Aptato Demonstrationes Geometricae» («Маятниковые часы: или Геометрические демонстрации движения маятника применительно к часам»). ). Это первая современная работа по механике, в которой физическая проблема идеализируется с помощью набора параметров, а затем анализируется математически. [6]
Мотивация Гюйгенса исходила из наблюдения Мерсенна и других о том, что маятники не совсем изохронны : их период зависит от ширины их колебаний, причем широкие колебания занимают немного больше времени, чем узкие. [124] Он решил эту проблему, найдя кривую, по которой масса будет скользить под действием силы тяжести за одно и то же время, независимо от ее начальной точки; так называемая проблема таутохрона . С помощью геометрических методов, которые предвосхитили исчисление , Гюйгенс показал, что это циклоида , а не дуга окружности качания маятника, и, следовательно, маятникам необходимо двигаться по циклоидной траектории, чтобы быть изохронными. Математика, необходимая для решения этой проблемы, побудила Гюйгенса разработать свою теорию эволюты, которую он представил в части III своей книги « Horologium Oscillatorium» . [6] [125]
Он также решил задачу, поставленную ранее Мерсенном: как вычислить период маятника, сделанного из качающегося твердого тела произвольной формы. Это включало обнаружение центра колебаний и его обратной связи с точкой поворота. В этой же работе он проанализировал конический маятник , состоящий из груза на шнуре, движущегося по кругу, используя понятие центробежной силы. [6] [126]
Гюйгенс был первым, кто вывел формулу периода идеального математического маятника (со стержнем или шнуром без массы и длиной, намного большей, чем его колебание), в современных обозначениях:
где T — период, l — длина маятника и g — ускорение свободного падения . Изучив период колебаний составных маятников, Гюйгенс внес решающий вклад в развитие концепции момента инерции . [127]
Гюйгенс также наблюдал связанные колебания : два его маятниковых часа, установленные рядом друг с другом на одной опоре, часто синхронизировались, раскачиваясь в противоположных направлениях. Он сообщил о результатах письмом Королевскому обществу, и в протоколах Общества это названо « странным видом сочувствия ». [128] Эта концепция теперь известна как увлечение . [129]
В 1675 году, исследуя колебательные свойства циклоиды, Гюйгенс смог превратить циклоидальный маятник в вибрирующую пружину посредством сочетания геометрии и высшей математики. [130] В том же году Гюйгенс разработал спиральную пружину баланса и запатентовал карманные часы . Эти часы примечательны отсутствием предохранителя для выравнивания крутящего момента ходовой пружины. Подразумевается, что Гюйгенс думал, что его спиральная пружина будет изохронизировать баланс точно так же, как подвесные бордюры циклоидной формы на его часах изохронизируют маятник. [131]
Позже он использовал спиральные пружины в более традиционных часах, изготовленных для него Тюре в Париже. Такие пружины необходимы в современных часах с отсоединенным рычажным спуском , поскольку их можно регулировать по изохронности . Однако в часах во времена Гюйгенса использовался очень неэффективный боковой спусковой механизм , который мешал изохронным свойствам любой формы балансовой пружины, спиральной или какой-либо другой. [132]
Проект Гюйгенса появился примерно в то же время, что и проект Роберта Гука, хотя и независимо от него. Споры по поводу приоритета балансовой пружины продолжались на протяжении веков. В феврале 2006 года давно утерянная копия рукописных заметок Гука, сделанных на собраниях Королевского общества за несколько десятилетий, была обнаружена в шкафу в Хэмпшире , Англия, что, по-видимому, склоняло доказательства в пользу Гука. [133] [134]
Гюйгенс долгое время интересовался изучением преломления света и линз или диоптрики . [135] С 1652 года датируются первые проекты латинского трактата по теории диоптрики, известного как « Трактат» , который содержал всеобъемлющую и строгую теорию телескопа. Гюйгенс был одним из немногих, кто поднял теоретические вопросы, касающиеся свойств и работы телескопа, и почти единственным, кто направил свои математические знания на реальные инструменты, используемые в астрономии. [136]
Гюйгенс неоднократно объявлял о публикации своим коллегам, но в конечном итоге отложил ее в пользу гораздо более всестороннего рассмотрения, теперь под названием «Диоптрика » . [23] Он состоял из трех частей. Первая часть была посвящена общим принципам рефракции, вторая — сферическим и хроматическим аберрациям , а третья — всем аспектам конструкции телескопов и микроскопов. В отличие от диоптрики Декарта, которая рассматривала только идеальные (эллиптические и гиперболические) линзы, Гюйгенс имел дело исключительно со сферическими линзами, которые были единственным типом, который действительно можно было изготовить и включить в такие устройства, как микроскопы и телескопы. [137]
Гюйгенс также разработал практические способы минимизировать эффекты сферической и хроматической аберрации, такие как большие фокусные расстояния объектива телескопа, внутренние ограничители для уменьшения апертуры и новый тип окуляра, известный как окуляр Гюйгена . [137] «Диоптрика » никогда не публиковалась при жизни Гюйгенса и появилась в печати только в 1703 году, когда большая часть ее содержания уже была известна научному миру.
Вместе со своим братом Константином Гюйгенс начал шлифовать свои линзы в 1655 году, пытаясь улучшить телескопы. [138] В 1662 году он разработал то, что сейчас называется окуляром Гюйгена, набор из двух плосковыпуклых линз, используемых в качестве окуляра телескопа. [139] [140] Линзы Гюйгенса были известны своим превосходным качеством и постоянно полировались в соответствии с его спецификациями; однако его телескопы не давали очень резких изображений, что заставило некоторых предположить, что он мог страдать близорукостью . [141]
Линзы также были общим интересом, благодаря которому Гюйгенс мог общаться в 1660-х годах со Спинозой, который профессионально обосновал их. У них были довольно разные взгляды на науку, Спиноза был более убежденным картезианцем, и некоторые из их дискуссий сохранились в переписке. [142] Он познакомился с работами Антони ван Левенгука , еще одного шлифовщика линз, в области микроскопии , которая заинтересовала его отца. [6] Гюйгенс также исследовал использование линз в проекторах. Ему приписывают изобретателя волшебного фонаря , описанного в переписке 1659 года . ( В этом также заслуга Афанасия Кирхера ). [144]
В оптике Гюйгенс особенно запомнился своей волновой теорией света, которую он впервые представил в 1678 году Академии наук в Париже. Теория Гюйгенса, первоначально предварительная глава его «Диоптрики» , была опубликована в 1690 году под названием « Трактат о свете » [ 145] и содержит первое полностью математизированное механистическое объяснение ненаблюдаемого физического явления (т. е. распространения света). . [7] [146] Гюйгенс ссылается на Игнаса-Гастона Парди , чья рукопись по оптике помогла ему в его волновой теории. [147]
Задача в то время заключалась в объяснении геометрической оптики , поскольку большинство явлений физической оптики (таких как дифракция ) не наблюдалось и не рассматривалось как проблема. В 1672 году Гюйгенс экспериментировал с двойным лучепреломлением ( двойным лучепреломлением ) в исландском шпате ( кальците ) — явление, открытое в 1669 году Расмусом Бартолином . Сначала он не мог объяснить то, что обнаружил, но позже смог объяснить это, используя свою теорию волнового фронта и концепцию эволюты. [146] Он также развивал идеи по каустике . [6] Гюйгенс предполагает, что скорость света конечна, основываясь на отчете Оле Кристенсена Рёмера в 1677 году, но, как предполагается, Гюйгенс уже поверил. [148] Теория Гюйгенса постулирует свет как излучающие волновые фронты , с общим представлением о световых лучах, описывающих распространение, нормальное к этим волновым фронтам. Распространение волновых фронтов затем объясняется как результат испускания сферических волн в каждой точке вдоль волнового фронта (известный сегодня как принцип Гюйгенса-Френеля). [149] Он предполагал вездесущий эфир с передачей через совершенно упругие частицы, что является пересмотром взглядов Декарта. Таким образом, природа света была продольной волной . [148]
Его теория света не получила широкого признания, в то время как конкурирующая корпускулярная теория света Ньютона , изложенная в его «Оптике» (1704 г.), получила большую поддержку. Одним из серьезных возражений против теории Гюйгенса было то, что продольные волны имеют только одну поляризацию , которая не может объяснить наблюдаемое двойное лучепреломление. Однако интерференционные эксперименты Томаса Янга в 1801 году и открытие Франсуа Араго пятна Пуассона в 1819 году не могли быть объяснены с помощью теории Ньютона или любой другой теории частиц, возрождая идеи Гюйгенса и волновые модели. Френель узнал о работе Гюйгенса и в 1821 году смог объяснить двойное лучепреломление тем, что свет является не продольной (как предполагалось), а фактически поперечной волной . [150] Так называемый принцип Гюйгенса-Френеля был основой развития физической оптики, объясняя все аспекты распространения света, пока электромагнитная теория Максвелла не достигла кульминации в развитии квантовой механики и открытии фотона . [137] [151]
В 1655 году Гюйгенс открыл первый из спутников Сатурна, Титан , а также наблюдал и зарисовывал туманность Ориона , используя телескоп-рефрактор с 43-кратным увеличением собственной конструкции. [11] [10] Гюйгенсу удалось разделить туманность на разные звезды (более яркая внутренняя часть теперь носит название области Гюйгена в его честь) и открыл несколько межзвездных туманностей и несколько двойных звезд . [152] Он также был первым, кто предположил, что появление Сатурна , сбившее с толку астрономов, было обусловлено «тонким, плоским кольцом, нигде не соприкасающимся и наклоненным к эклиптике». [153]
Более чем через три года, в 1659 году, Гюйгенс опубликовал свою теорию и открытия в Systema Saturnium . Это считается самой важной работой по телескопической астрономии со времен «Sidereus Nuncius» Галилея пятьдесят лет назад. [154] Гораздо больше, чем отчет о Сатурне, Гюйгенс предоставил измерения относительных расстояний планет от Солнца, представил концепцию микрометра и показал метод измерения угловых диаметров планет, что, наконец, позволило телескопу используется как инструмент для измерения (а не просто наблюдения) астрономических объектов. [155] Он также был первым, кто поставил под сомнение авторитет Галилея в вопросах телескопа, и это мнение стало обычным явлением в годы после его публикации.
В том же году Гюйгенс смог наблюдать Большой Сиртис — вулканическую равнину на Марсе . Он использовал повторные наблюдения за движением этого объекта в течение нескольких дней, чтобы оценить продолжительность дня на Марсе, что он сделал с достаточной точностью до 24 с половиной часов. Эта цифра всего на несколько минут отличается от фактической продолжительности марсианских суток, составляющей 24 часа 37 минут. [156]
По инициативе Жана-Батиста Кольбера Гюйгенс взял на себя задачу построить механический планетарий, который мог бы отображать все известные тогда планеты и их спутники, вращающиеся вокруг Солнца. Гюйгенс завершил свой проект в 1680 году, а в следующем году его построил часовщик Йоханнес ван Сеулен. Однако тем временем Кольбер скончался, и Гюйгенсу так и не удалось доставить свой планетарий Французской академии наук , поскольку новый министр Франсуа-Мишель ле Телье решил не продлевать контракт Гюйгенса. [157] [158]
В своей конструкции Гюйгенс изобретательно использовал непрерывные дроби , чтобы найти наилучшие рациональные приближения, с помощью которых он мог выбрать шестерни с правильным количеством зубьев. Соотношение между двумя шестернями определяло периоды обращения двух планет. Чтобы перемещать планеты вокруг Солнца, Гюйгенс использовал часовой механизм, который мог двигаться вперед и назад во времени. Гюйгенс утверждал, что его планетарий был более точным, чем аналогичное устройство, построенное Оле Рёмером примерно в то же время, но проект его планетария не был опубликован до его смерти в Opuscula Posthuma (1703 г.). [157]
Незадолго до своей смерти в 1695 году Гюйгенс завершил свой самый умозрительный труд под названием «Космотеорос» . По его указанию она должна была быть опубликована только посмертно его братом, что Константин-младший и сделал в 1698 году. [159] В этой работе Гюйгенс размышлял о существовании внеземной жизни , которую он представлял себе похожей на жизнь на Земле. Подобные предположения не были редкостью в то время и оправдывались коперниканством или принципом полноты , но Гюйгенс углубился в детали. [160] Однако он сделал это без понимания законов гравитации Ньютона или того факта, что атмосферы на других планетах состоят из разных газов. [161] «Космотеорос», переведенный на английский язык как « Открытые небесные миры» , рассматривался как часть спекулятивной фантастики в традициях Фрэнсиса Годвина , Джона Уилкинса и Сирано де Бержерака . Работа Гюйгенса была по своей сути утопической и в некоторой степени вдохновлена космографией и планетарными предположениями Питера Хейлина . [162] [163]
Гюйгенс писал, что наличие воды в жидкой форме необходимо для жизни и что свойства воды должны варьироваться от планеты к планете, чтобы соответствовать диапазону температур. Свои наблюдения темных и ярких пятен на поверхности Марса и Юпитера он считал доказательством наличия воды и льда на этих планетах. [164] Он утверждал, что внеземная жизнь не подтверждается и не отрицается Библией, и задавался вопросом, почему Бог создал другие планеты, если они не служили более великой цели, чем просто восхищение ими с Земли. Гюйгенс постулировал, что большое расстояние между планетами означает, что Бог не хотел, чтобы существа на одной из них знали о существах на других, и не предвидел, насколько далеко люди продвинутся в научных знаниях. [165]
Также в этой книге Гюйгенс опубликовал свои оценки относительных размеров Солнечной системы и свой метод расчета расстояний до звезд . [5] Он проделал ряд меньших отверстий в экране, обращенном к Солнцу, пока не пришел к выводу, что свет имел ту же интенсивность, что и свет звезды Сириус . Затем он подсчитал, что угол этой дыры составляет 1/27 664 диаметра Солнца, и, таким образом, она находится примерно в 30 000 раз дальше, исходя из (неверного) предположения, что Сириус так же светится, как Солнце. Предмет фотометрии оставался в зачаточном состоянии до времен Пьера Бугера и Иоганна Генриха Ламберта . [166]
Гюйгенса называют первым физиком-теоретиком и основателем современной математической физики . [167] [168] Хотя его влияние было значительным при его жизни, оно начало исчезать вскоре после его смерти. Его навыки геометра и механическая изобретательность вызвали восхищение многих его современников, включая Ньютона, Лейбница, Лопиталя и Бернулли . [42] За свои работы в области физики Гюйгенс считался одним из величайших ученых научной революции, с которым мог соперничать только Ньютон как по глубине прозрения, так и по количеству полученных результатов. [4] [169] Гюйгенс также помог разработать институциональные рамки для научных исследований на европейском континенте , что сделало его ведущим игроком в становлении современной науки. [170]
В математике Гюйгенс овладел методами древнегреческой геометрии , особенно работами Архимеда, и был искусным пользователем аналитической геометрии и методов бесконечно малых Декарта и Ферма. [84] Его математический стиль лучше всего можно описать как геометрический бесконечно малый анализ кривых и движения. Черпая вдохновение и образы из механики, он по форме оставался чистой математикой. [71] Гюйгенс положил конец этому типу геометрического анализа, поскольку все больше математиков отвернулись от классической геометрии к исчислению для обработки бесконечно малых, предельных процессов и движения. [38]
Более того, Гюйгенс смог полностью использовать математику для ответа на вопросы физики. Часто это влекло за собой введение простой модели для описания сложной ситуации, а затем ее анализ, начиная с простых аргументов и заканчивая их логическими следствиями, попутно развивая необходимую математику. Как он писал в конце черновика De vi Centrifuga : [33]
Что бы вы ни предположили не невозможным относительно гравитации, движения или какой-либо другой материи, если затем вы докажете что-нибудь относительно величины линии, поверхности или тела, это будет правдой; как, например, Архимед о квадратуре параболы , где предполагалось, что тенденция тяжелых тел действует через параллельные линии.
Гюйгенс предпочитал аксиоматическое представление своих результатов, требующее строгих методов геометрической демонстрации: хотя он допускал определенные уровни неопределенности при выборе основных аксиом и гипотез, доказательства выводимых из них теорем никогда не могли подвергаться сомнению. [33] Стиль публикации Гюйгенса оказал влияние на представление Ньютоном его собственных основных работ . [171] [172]
Помимо применения математики к физике и физики к математике, Гюйгенс полагался на математику как на методологию, особенно на ее способность генерировать новые знания о мире. [173] В отличие от Галилея, который использовал математику прежде всего в качестве риторики или синтеза, Гюйгенс последовательно использовал математику как метод открытия и развития теорий, охватывающих различные явления в механике, и настаивал на том, что сведение физического к геометрическому удовлетворяет строгим стандартам соответствия между настоящее и идеальное. [124] Требуя такой математической гибкости и точности, Гюйгенс подал пример таким ученым восемнадцатого века, как Иоганн Бернулли , Жан ле Рон д'Аламбер и Шарль-Огюстен де Кулон . [33] [167]
Хотя Гюйгенс никогда не предназначался для публикации, он использовал алгебраические выражения для представления физических объектов в нескольких своих рукописях о столкновениях. [44] Это сделало бы его одним из первых, кто использовал математические формулы для описания взаимосвязей в физике, как это делается сегодня. [5] Гюйгенс также подошел близко к современной идее предела , работая над своей «Диоптрикой», хотя он никогда не использовал это понятие за пределами геометрической оптики. [174]
Положение Гюйгенса как величайшего ученого Европы в конце семнадцатого века затмило положение Ньютона, несмотря на то, что, как отмечает Хью Олдерси-Уильямс , «достижения Гюйгенса превосходят достижения Ньютона в некоторых важных отношениях». [175] Хотя его журнальные публикации предвосхитили форму современной научной статьи , [92] его стойкий классицизм и нежелание публиковать свои работы во многом уменьшили его влияние после научной революции, как приверженца исчисления Лейбница и теории Ньютона. физика заняла центральное место. [38] [84]
Анализ Гюйгенсом кривых, удовлетворяющих определенным физическим свойствам, таких как циклоида , привел к более поздним исследованиям многих других таких кривых, таких как каустика, брахистохрона , кривая паруса и цепная линия. [24] [35] Его применение математики к физике, например, в его исследованиях воздействия и двойного лучепреломления, вдохновило бы новые разработки в математической физике и рациональной механике в последующие столетия (хотя и на новом языке исчисления). [7] Кроме того, Гюйгенс разработал колебательные механизмы измерения времени , маятник и балансовую пружину, которые с тех пор используются в механических часах . Это были первые надежные хронометры, пригодные для научного использования (например, для точного измерения неравенства солнечных суток , что раньше было невозможно). [6] [124] Его работа в этой области предвосхитила объединение прикладной математики с машиностроением в последующие столетия. [131]
При жизни Гюйгенс и его отец заказали несколько портретов. В их число вошли:
В его честь был назван космический корабль Европейского космического агентства , приземлившийся на Титане , крупнейшем спутнике Сатурна, в 2005 году . [178]
Ряд памятников Христиану Гюйгенсу можно найти в важных городах Нидерландов, включая Роттердам , Делфт и Лейден .
Источник(и): [17]