【原】科学革命之通才克里斯蒂安·惠更斯与牛顿比肩的巨人法国皇家科学院创始人

isHistoria 2022-06-18 发布于广东

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克里斯蒂安·惠更斯，荷兰物理学家、天文学家、数学家。他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱，是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，并改进了计时器。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。

克里斯蒂安·惠更斯 (1629年04月14日-1695年07月08日)

卡斯帕·内舍,1671年，海牙博物馆收藏

早年生活

克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629年4月14号-1695年7月8号）出生于海牙。他的祖父，也叫克里斯蒂安·惠更斯，作为秘书效力于沉默者威廉以及莫里斯亲王。父母是大臣和诗人，与R.笛卡儿等学界名流交往甚密。在1625年，他的父亲康斯坦丁成为亲王弗雷德里克·亨利的秘书，而且正如克里斯蒂安的哥哥，另一位康斯坦丁那样，在随后的生涯中，一直服务于奥兰治家族。康斯坦丁是一个对艺术很有品位的人，有绘画才能，也是一个音乐家、多才的作曲家，而尤其是，一个杰出的诗人；他那些用荷兰文和拉丁文写下的篇章，令他在荷兰文学史上获得了经久不衰的地位。

跟随这个效命于奥兰治王室的外交事务传统，惠更斯家族有一个坚实的教育和文化传统。他的祖父积极参与到对孩子们的教育中，于是惠更斯的父亲在文学和科学方面都极为博学。

就像他父亲一样，康斯坦丁积极地致力于孩子的教育。克里斯蒂安和哥哥康斯坦丁在家中接受父亲和私人教师的教育，一直到16岁。兄弟俩在音乐 (克里斯蒂安善于歌唱，并能演奏古大提琴[violadegamba]，鲁特诗琴[lute]和拨弦键琴[harpsichord]）、拉丁语、希腊语、法语、一些意大利语、以及逻辑、数学、力学、还有地理学方面有了一个背景。作为一个非常天才的学生，克里斯蒂安在幼年就展示出了兼顾理论方面的兴趣以及对实际应用与建造的洞察力，这也成为了他后来的科学工作的特点。13岁时曾自制一台车床，表现出很强的动手能力。

从1645年5月到1647年三月，克里斯蒂安在莱顿大学学习法律与数学。其中数学是学自凡司顿(Fransvan Schooten）。他学习了经典数学，也学习了韦达(Viète）、笛卡尔、费马的现代方法。在这一时期，他的父亲告诉马林·梅森其子对落体问题的研究，这引起了梅森的注意，也从而开始了克里斯蒂安与梅森之间的直接通信。笛卡尔在这些年深深地影响了年轻的惠更斯，也对克里斯蒂安的工作表示兴趣与欣赏。笛卡尔游历欧洲期间，受到过惠更斯在海牙对他的很好的招待。从1647年3月到1649年八月，克里斯蒂安在新成立的位于布雷达的奥兰治学院学习法律，他的父亲是这所学校的校长，而佩尔(Pell）在这里教数学。

科学研究

随着1650年威廉二世的去世、惠更斯家族失去了从事外交工作的首要机会。惠更斯一直呆在家到1666年，除了到巴黎和伦敦的三次旅行。他父亲提供的资助让他可以完全投入到对自然的研究中。这些年(1650到1666）是惠更斯的生涯中最多产的时期。

最初惠更斯集中于数学：面积和体积的确定，以及由帕普斯(Pappus）的工作所启发的代数问题。

1651年，《双曲线、椭圆和圆的求积定理》(Theore mata de quadratura hyperboles，ellipsiset circuli）写成，包括对圣文森特的格里高利的球体积的反驳。

1654年，《圆大小的发现》(De circuli magnitudine inventa）。在接下来的岁月中，惠更斯研究了抛物线求长、求抛物线旋转面的面积、许多曲线如蔓叶线、摆线(与帕斯卡在1658年公开提出的一个问题有联系）和对数曲线的切线和面积问题。

1657年，惠更斯关于概率问题的论文发表，《论-中的计算》(Tractatus deratiocinii sinalea eludo）。

1650年，一个关于流体静力学的手稿已经完成。

1652年，惠更斯将弹性碰撞的规律公式化，并开始几何光学的学习。

1655年，他与他哥哥一起，去磨制镜片。他们制造了显微镜和望远镜。而惠更斯在1655-1656年的冬天，发现了土星的卫星并辨识出了土星光环，两者分别报告于《土星之月新观察》(De Saturni luna observatio nova）和《土星系统》(Systema Saturnium）中。

1656年，惠更斯发明了摆钟。这在1658年的《时钟》(Horologium）(不要与后来的Horologiumoscillatorium混淆）中有记述。这也造就了一些机会让他发现摆线等时性(tautochronism）(1659）、研究渐屈线(evolute）和摆动中心(centerofoscillation）的理论。

1659年，惠更斯开始对离心力的研究。在这些年中，他与许多学者的通信大量增多，那些学者有圣文森特的格里高利、沃利斯(Wallis）、凡司顿和斯吕塞(Sluse）。

1660年之后，对摆钟在海上确定经度的应用研究占据了他很多的时间。

三次旅行

第一次是1655年的7月到9月，惠更斯来到巴黎，在那里遇见了伽桑狄、罗伯威尔、索毕耶以及布利奥——也就是后来组建法国皇家科学院(AcademieRoyaledesSciences）的那些学者。与他的哥哥一样，利用在法国停留的机会，在昂热取得了一个民法及教会法律博士学位。

第二次是1660年10月到1661年3月，在巴黎停留，他见到了帕斯卡、奥祖(Auzout）以及笛沙格(Desargues）。后来他在去了伦敦，呆到1661年5月。在那里，惠更斯参加了格雷欣学院(Gresham College）的会议，遇见了莫里(Moray）、沃利斯(Wallis）以及奥登堡(Oldenburg），而波义耳的空气泵实验给他留下了深刻印象。

第三次是1663年4月到1664年5月，来巴黎，中间有一次去伦敦的旅行(1663年6月到9月）。他在伦敦成为了新成立的皇家学会(RoyalSociety）的会员。接着他回到巴黎，在那里从路易十四获得了科学工作的第一笔薪俸。

加入法国皇家科学院，移居巴黎

在1664年，泰弗诺(Thévenot）找到惠更斯，请他成为在巴黎即将成立的一所学院(academy）的成员；柯尔贝尔(Colbert）提议为梅森之后在巴黎举行的非正式学者会议，给予一个官方的地位以及资助。在1666年5月，巴黎皇家科学院(AcadémieRoyaledesSciences）成立，惠更斯接受了会员资格。此后在巴黎一直呆到1681年，中间仅因为健康原因，有两次在海牙(Hague）呆了一段时间。惠更斯身体不太好，在1670年初，他被一场严重的疾病所折磨。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，疾病复发，从1676年7月到1678年6月惠更斯再次呆在海牙。

作为学会最卓越的会员，惠更斯获得了很高的薪俸，并居住在皇家图书馆(BibliothéqueRoyal）的一套房间中。在学会中，惠更斯鼓励一项研究自然的培根式计划(Baconian program）。他积极参与天文观测(例如对土星的观测）和空气泵实验中来。在1669年他阐述了重力起因理论，而在1678年他写了《论光》 (Traité de la lumière），其中宣布了他在1676-1677年发展出来的光的波动理论(严格地说是光的脉冲理论）。在1668-1669年，他在理论上和实验上，研究了阻力介质中的物体运动。在1673年，他与帕平(Papin）合作，建造了一个内燃机(moteurà explosion）。而此后他也与莱布尼兹有定期接触。惠更斯在1673年开始了他关于简谐振动的研究，并设计出由弹簧而非钟摆来校准时间的钟表，接着，就发生了他与胡克(Hooke）的优先权之争。在1677年他使用了显微镜进行研究。

1672年，荷兰共和国和路易十四及其同盟者之间爆发了战争。奥兰治的威廉三世上台，而惠更斯的父亲和哥哥承担了荷兰的重要位置。而惠更斯留在巴黎，虽然他对荷兰的事业有着深切的关注，但他仍然在柯尔贝尔的保护下继续他在学会的工作。1673年，他发表了《论摆钟》(Horologium oscillatorium），这是惠更斯进入路易十四资助的职位后的第一部著作，他把它献给了法国国王。这一举动有助于加强他在巴黎的地位，但在荷兰引起了一些反对。

又一次因为疾病，惠更斯在1681年离开巴黎，在1683年之前痊愈，但与此同时柯尔贝尔去世，而如果在巴黎没有他的支持，惠更斯因其国籍、新教信仰以及家庭与奥兰治王室的关系，会给他招致强烈的反对，因此他决定呆在荷兰。他的经济状况不像以前那样有保障，但他可以靠家里的土地所有权而有一份收入。惠更斯从未结婚。在海牙以及在靠近福尔堡附近的家庭乡村别墅的相对孤寂的状态中，他继续光学研究，建造了许多钟表，并试用于几次长距离航海中，他还写下了《被发现的天上的世界》(Cosmo theoros）。1689年6月到9月，他访问英格兰，在那里遇到了牛顿。牛顿的《原理》引起了惠更斯的仰慕之情但也激起了他强烈的分歧。两者的证据在《论光》及本书补编的《论重力的原因》(Discours de la cause de la pesanteur）中能找到。与法蒂奥(Fatiode Duillier）的讨论，与莱布尼兹的通信，以及对他的微分积分的兴趣，在最后的几年中使惠更斯的注意力转回数学。

伟人逝世

1694年，惠更斯再一次生病，这一次他没有恢复过来。次年夏天在海牙去世。

主要成就

总括

惠更斯处于富裕宽松的家庭和社会条件中，没受过宗教迫害的干扰，能比较自由地发挥自己的才能．他善于把科学实践与理论研究结合起来，透彻地解决某些重要问题，形成了理论与实验结合的工作方法与明确的物理思想，他留给人们的科学论文与著作68种，《全集》有22卷，在碰撞、钟摆、离心力和光的波动说、光学仪器等多方面作出了贡献。

数学方面概率论的创始人

惠更斯曾首先集中精力研究数学问题，如悬链线(他发现悬链线既摆线与抛物线的区别)、曳物线、对数螺线等都进行过研究，还在概率论和微积分方面有所成就。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。1657年发表的《论赌博中的计算》，就是一篇关于概率论的科学论文(他是概率论的创始人)，显示了他在数学上的造诣。

光学方面波动说

惠更斯，在他对光的研究中，开始对矿物晶体的常规图形很感兴趣，并对他们所假定的几何形式的原因接近于现代的观点。他注意到，关于他正在研究的晶体：

All these things deserve to be carefully investigated, in order to ascertain how and by what process nature produces them. It seems to me that in general, the regularity which is found in these productions arises from the arrangement of the small equal and invisible particles of which they are composed.

所有这些事情都值得仔细研究，以确定自然界是如何以及通过什么过程产生它们的。在我看来，一般来说，在这些产物中发现的规律性来自于由它们组成的相同的、不可见的小粒子的排列。

惠更斯支持这样的观点，即光是通过介质中的波的作用来传递的，而不是通过从光源发出的粒子。通过这个模型，他能够巧妙地解释反射、折射，甚至是在一些晶体中观察到的复杂的双折射现象，如冰岛的圆晶石。他在《光之论》上发表了他的发现。惠更斯的观点与艾萨克·牛顿的观点形成了鲜明对比，后者普遍认为光是一种粒子流。牛顿对相反假设的支持将惠更斯的接受推迟了一个多世纪。

惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可以预料光的衍射现象的存在，却不能对这些现象作出解释，也就是它可以确定光波的传播方向，而不能确定沿不同方向传播的振动的振幅。因此，惠更斯原理是人类对光学现象的一个近似的认识。直到后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。

惠更斯在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理．惠更斯原理认为:对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心．他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此交*而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象《光论》中最精彩部分是对双折射提出的模型，用球和椭球方式传播来解释寻常光和非常光所产生的奇异现象，书中有几十幅复杂的几何图，足以看出他的数学功底。

另外惠更斯在巴黎工作期间曾致力于光学的研究。1678年，他在法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的微粒说。他说，如果光是微粒性的，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这现象，而且利用微粒说解释折射现象，将得到与实际相矛盾的结果。因此，惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。

天文学方面

惠更斯在天文学方面有着很大的贡献。他设计制造的光学和天文仪器精巧超群，如磨制了透镜，改进了望远镜（用它发现了土星光环等）与显微镜，惠更斯目镜至今仍然采用，还有几一十米长的“空中望远镜”（无管、长焦距、可消色差）、展示星空的“行星机器”（即今天文馆雏型）等．

惠更斯望远镜

土星环

他把大量的精力放在了研制和改进光学仪器上。当惠更斯还在荷兰的时候，就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地设计和磨制出了望远镜的透镜，进而改良了开普勒的望远镜。惠更斯利用自己研制的望远镜进行了大量的天文观测。因此，他得到的报酬是解开了一个由来已久的天文学之谜。伽利略曾通过望远镜观察过土星，他发现了“土星有耳朵”，后来又发现了土星的“耳朵”消失了。伽利略以后的科学家对此问题也进行过研究，但都未得要领。“土星怪现象”成为了天文学上的一个谜。当惠更斯将自己改良的望远镜对准这颗行星时，他发现了在土星的旁边有一个薄而平的圆环，而且它很倾向地球公转的轨道平面。伽利略发现的“土星耳朵”消失，是由于土星的环有时候看上去呈现线状。以后惠更斯又发现了土星的卫星--土卫六，并且还观测到了猎户座星云、火星极冠等。

力学方面

惠更斯是创建经典力学的先驱。在力学方面的研究，惠更斯是以伽利略所创建的基础为出发点的。他在研究摆中阐明了许多动力学概念和规律（包括摆的运动方程，离心力、摆动中心、转动惯量的概念），用摆测量重力加速度，指出物体在地球赤道处受到的离心力是重量的1/289，著有《关于钟摆的运动》（1673）。他同J.沃利斯（1616～1703）和C.雷恩（1632～1723）在同一时期发现弹性体的碰撞规律。

在1668～1669年英国皇家学会碰撞问题征文悬赏中，他是得奖者之一。他详尽地研究了完全弹性碰撞问题（当时叫“对心碰撞”）。死后综合发表于《论物体的碰撞运动》（1703）中，包括5个假设和13个命题。他纠正了笛卡儿不考虑动量方向性的错误，并首次提出完全弹性碰撞前后的守恒。他还研究了岸上与船上两个人手中小球的碰撞情况并把相对性原理应用于碰撞现象的研究。大约在1669年，惠更斯就已经提出解决了碰撞问题的一个法则——“活力”守恒原理，它成为能量守恒的先驱。

惠更斯从实践和理论上研究了钟摆及其理论。提出著名的单摆周期公式。在研究摆的重心升降问题时，惠更斯发现了物体系的重心与后来欧勒称之为转动惯量的量，还引入了反馈装置——“反馈”这一物理思想今天更显得意义重大。设计了船用钟和手表平衡发条，大大缩小了钟表的尺寸。他还用摆求出重力加速度的准确值，并建议用秒摆的长度作为自然长度标准。

惠更斯还提出了他的离心力定理，他还研究了圆周运动、摆、物体系转动时的离心力以及泥球和地球转动时变扁的问题等等。这些研究对于后来万有引力定律的建立起了促进作用。他提出过许多既有趣又有启发性的离心力问题。惠更斯在他的《摆钟论》中还给出了他关于所谓的“离心力”的基本命题。他提出：一个作圆周运动的物体具有飞离中心的倾向，它向中心施加的离心力与速度的平方成正比，与运动半径成反比。这也是他对有关的伽利略摆动学说的扩充。后来，惠更斯和胡克还各自发现了螺旋式弹簧丝的振荡等时性，这为近代游丝怀表和手表的发明创造了条件。