Христиан Гюйгенс - нидерландский ученый, математик, астроном и физик, один из основоположников волновой оптики. В 1665-81 работал в Париже. Изобрел (1657) маятниковые часы со спусковым механизмом, дал их теорию, установил законы колебаний физического маятника, заложил основы теории удара. Создал (1678, опубликовал 1690) волновую теорию света, объяснил двойное лучепреломление. Совместно с Робертом Гуком установил постоянные точки термометра. Усовершенствовал телескоп; сконструировал окуляр, названный его именем. Открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан. Автор одного из первых трудов по теории вероятностей (1657).
Раннее пробуждение талантов
Предки Христиана Гюйгенса занимали в истории его страны видное место. Его отец Константин Гюйгенс (1596-1687), в доме которого родился будущий знаменитый ученый, был широко образованным человеком, знал языки, увлекался музыкой; после 1630 г. он стал советником Вильгельма II (а впоследствии и Вильгельма III). Король Яков I возвел его в сан рыцаря, а Людовик XIII пожаловал орденом Святого Михаила. Его дети - 4 сына (второй - Христиан) и одна дочь - также оставили добрый след в истории.
Одаренность Христиана проявилась уже в раннем возрасте. В восемь лет он уже изучил латынь и арифметику, учился пению, а десяти лет познакомился с географией и астрономией. В 1641 его воспитатель писал отцу ребенка: «Я вижу и почти завидую замечательной памяти Христиана», а двумя годами позже: «Я признаюсь, что Христиана нужно назвать чудом среди мальчиков».
А Христиан в это время, изучив греческий, французский и итальянский языки и освоив игру на клавесине, увлекся механикой. Но не только этим: он охотно занимается и плаваньем, танцами и верховой ездой. В шестнадцать лет Христиан Гюйгенс вместе со старшим братом Константином поступает в Лейденский университет для подготовки по праву и по математике (последнее охотнее и успешнее; одну из его работ преподаватель решает переслать Рене Декарту).
Через 2 года старший брат начинает работать у принца Фредерика Генрика, а Христиан с младшим братом переезжает в Бреду, в «Оранскую коллегию». Отец готовил и Христиана к государственной службе, но у того были другие устремления, В 1650 г. он возвращается а Гаагу, где его научной деятельности мешали только преследовавшие его некоторое время головные боли.
Чем более трудной является задача определения при помощи рассуждений того, что кажется неопределенным и подчиненного случаю, тем более наука, которая достигает результата, представляется удивительной.
Гюйгенс Христиан
Первые научные труды
Круг научных интересов Христиана Гюйгенса продолжал расширяться. Он увлекается трудами Архимеда по механике и Декарта (а позже и других авторов, в том числе, и англичан Ньютона и Гука) по оптике, но не перестает заниматься и математикой. В механике главные его исследования относятся к теории удара и к проблеме конструирования часов, имевшей в то время исключительно важное прикладное значение и занимавшей всегда в работе Гюйгенса одно из центральных мест.
Первые его достижения в оптике также можно назвать «прикладными». Вместе с братом Константином Христиан Гюйгенс занимается усовершенствованием оптических инструментов и достигает в этой области значительных успехов (эта деятельность не прекращается много лет; в 1682 г. он изобретает трехлинзовый окуляр, носящий поныне его имя. Занимаясь усовершенствованием телескопов, Гюйгенс, однако, в «Диоптрике» написал: «...человек: который бы смог изобрести подзорную трубу, основываясь лишь на теории, без вмешательства случая, должен был бы обладать сверхчеловеческим умом»).
Новые инструменты позволяют делать важные наблюдения: 25 марта 1655 г. Гюйгенс открывает Титан - самый большой спутник Сатурна (кольцами которого он интересовался уже давно). В 1657 г. появляется еще один труд Гюйгенса «О расчетах при игре в кости» - одна из первых работ по теории вероятностей. Еще одно сочинение «Об ударе тел» он пишет для своего брата.
Вообще пятидесятые годы 17 века были временем наибольшей активности Гюйгенса. Он приобретает известность в научном мире. В 1665 он избирается членом Парижской академии наук.
«Принцип Гюйгенса»
Х. Гюйгенс с неослабевающим интересом изучал оптические труды Ньютона, но не принял его корпускулярную теорию света. Гораздо ближе ему были взгляды Роберта Гука и Франческо Гримальди, считавших, что свет имеет волновую природу.
Но представление о свете-волне сразу же порождало множество вопросов: как объяснить прямолинейное распространение света, его отражение и преломление? Ньютон давал на них убедительные, казалось бы, ответы. Прямолинейность - это проявление первого закона динамики: световые корпускулы движутся равномерно и прямолинейно, если на них не подействуют какие-то силы. Отражение тоже объяснялось как упругое отскакивание корпускул от поверхностей тел. Несколько сложнее дело обстояло с преломлением, но и здесь Ньютон предложил объяснение. Он считал, что когда световая корпускула подлетает к границе тела, на нее начинает действовать сила притяжения со стороны вещества, сообщающая корпускуле ускорение. Это приводит к изменению направления скорости корпускулы (преломление) и ее величины; следовательно, по Ньютону, скорость света в стекле, к примеру, больше, чем в вакууме. Этот вывод важен хотя бы уже тем, что он допускает экспериментальную проверку (позже опыт опроверг мнение Ньютона).
Христиан Гюйгенс, как и упоминавшиеся выше его предшественники, считал, что все пространство заполнено особой средой - эфиром, и что свет - это волны в этом эфире. Пользуясь аналогией с волнами на поверхности воды, Гюйгенс пришел к такой картине: когда фронт (т. е. передний край) волны доходит до некоторой точки, т. е. колебания достигают этой точки, то эти колебания становятся центрами расходящихся во все стороны новых волн, и движение огибающей всех этих волн и дает картину распространения фронта волны, а перпендикулярное к этому фронту направление и есть направление распространения волны. Так, если фронт волны в пустоте в какой-то момент плоский, то он остается плоским всегда, что и соответствует прямолинейному распространению света. Если же фронт световой волны достигает границы среды, то каждая точка на этой границе становится центром новой сферической волны, и, построив огибающие этих волн в пространстве как над, так и под границей, нетрудно объяснить как закон отражения, так и закон преломления (но при этом приходится принять, что скорость света в среде в n раз меньше, чем в вакууме, где это n - тот самый показатель преломления среды, который входит в недавно открытый Декартом и Снеллиусом закон преломления).
Из принципа Гюйгенса вытекает, что свет, как и любая волна, может и огибать препятствия. Это представляющее принципиальный интерес явление действительно существует, но Гюйгенс счел, что «боковые волночки», возникающие при таком огибании, не заслуживают большого внимания.
Представления Христиана Гюйгенса о свете были далеки от современных. Так, он считал, что световые волны - продольные, т.е. что направления колебаний совпадают с направлением распространения волны. Это может показаться тем более странным, что сам Гюйгенс, по-видимому, уже имел представление о явлении поляризации, которое можно понять только рассматривая поперечные волны. Но не это главное. Принцип Гюйгенса оказал решающее влияние на наши представления не только об оптике, но и о физике любых колебаний и волн, занимающей теперь одно из центральных мест в нашей науке. (В. И. Григорьев)
Еще о Христиане Гюйгенсе:
Христиан Гюйгенс фон Цюйлихен - сын голландского дворянина Константина Гюйгенса «Таланты, дворянство и богатство были, по-видимому, наследственными в семействе Христиана Гюйгенса», - писал один из его биографов. Его дед был литератор и сановник, отец - тайный советник принцев Оранских, математик, поэт. Верная служба своим государям не закрепощала их талантов, и, казалось, Христиану предопределена та же, для многих завидная судьба. Он учился арифметике и латыни, музыке и стихосложению. Генрих Бруно, его учитель, не мог нарадоваться своим четырнадцатилетним воспитанником:
«Я признаюсь, что Христиана надо назвать чудом среди мальчиков... Он развертывает свои способности в области механики и конструкций, делает машины удивительные, но вряд ли нужные». Учитель ошибался: мальчик все время ищет пользу от своих занятий. Его конкретный, практический ум скоро найдет схемы как раз очень нужных людям машин.
Впрочем, он не сразу посвятил себя механике и математике. Отец решил сделать сына юристом и, когда Христиан достиг шестнадцатилетнего возраста, направил его изучать право в Лондонский университет. Занимаясь в университете юридическими науками, Гюйгенс в то же время увлекается математикой, механикой, астрономией, практической оптикой. Искусный мастер, он самостоятельно шлифует оптические стекла и совершенствует трубу, с помощью которой позднее совершит свои астрономические открытия.
Христиан Гюйгенс был непосредственным преемником Галилео-Галилея в науке. По словам Лагранжа, Гюйгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея». Существует рассказ о том, как в первый раз Гюйгенс соприкоснулся с идеями Галилея. Семнадцатилетний Гюйгенс собирался доказать, что брошенные горизонтально тела движутся по параболам, но, обнаружив доказательство в книге Галилея, не захотел «писать «Илиаду» после Гомера».
Окончив университет, Христиан Гюйгенс становится украшением свиты графа Нассауского, который с дипломатическим поручением держит путь в Данию. Графа не интересует, что этот красивый юноша - автор любопытных математических работ, и он, разумеется, не знает, как мечтает Христиан попасть из Копенгагена в Стокгольм, чтобы увидеть Декарта. Так они не встретятся никогда: через несколько месяцев Декарт умрет.
В 22 года Христиан Гюйгенс публикует «Рассуждения о квадрате гиперболы, эллипса и круга». В 1655 году он строит телескоп и открывает один из спутников Сатурна - Титан и публикует «Новые открытия в величине круга». В 26 лет Христиан пишет записки по диоптрике. В 28 лет выходит его трактат «О расчетах при игре в кости», где за легкомысленным с виду названием скрыто одно из первых в истории исследований в области теории вероятностей.
Одним из важнейших открытий Гюйгенса было изобретение часов с маятником. Он запатентовал свое изобретение 16 июля 1657 года и описал его в небольшом сочинении, опубликованном в 1658 году. Он писал о своих часах французскому королю Людовику XIV: «Мои автоматы, поставленные в ваших апартаментах, не только поражают вас всякий день правильным указанием времени, но они годны, как я надеялся с самого начала, для определения на море долготы места». Задачей создания и совершенствования часов, прежде всего маятниковых Христиан Гюйгенс занимался почти сорок лет: с 1656 по 1693 год. А. Зоммерфельд назвал Гюйгенса «гениальнейшим часовым мастером всех времен».
В тридцать лет Христиан Гюйгенс раскрывает секрет кольца Сатурна. Кольца Сатурна были впервые замечены Галилеем в виде двух боковых придатков, «поддерживающих» Сатурн. Тогда кольца были видны, как тонкая линия, он их не заметил и больше о них не упоминал. Но труба Галилея не обладала необходимой разрешающей способностью и достаточным увеличением. Наблюдая небо в 92-кратный телескоп. Христиан обнаруживает, что за боковые звезды принималось кольцо Сатурна. Гюйгенс разгадал загадку Сатурна и впервые описал его знаменитые кольца.
В то время Христиан Гюйгенс был очень красивым молодым человеком с большими голубыми глазами и аккуратно подстриженными усиками. Рыжеватые, круто завитые по тогдашней моде локоны парика опускались до плеч, ложась на белоснежные брабантские кружева дорогого воротника. Он был приветлив и спокоен. Никто не видел его особенно взволнованным или растерянным, торопящимся куда-то, или, наоборот, погруженным в медлительную задумчивость. Он не любил бывать в «свете» и редко там появлялся, хотя его происхождение открывало ему двери всех дворцов Европы. Впрочем, когда он появляется там, то вовсе не выглядел неловким или смущенным, как часто случалось с другими учеными.
Но напрасно очаровательная Нинон де Ланкло ищет его общества, он неизменно приветлив, не более, этот убежденный холостяк. Он может выпить с друзьями, но чуть-чуть. Чуть-чуть попроказить, чуть-чуть посмеяться. Всего понемногу, очень понемногу, чтобы осталось как можно больше времени на главное - работу. Работа - неизменная всепоглощающая страсть - сжигала его постоянно.
Христиан Гюйгенс отличался необыкновенной самоотдачей. Он сознавал свои способности и стремился использовать их в полной мере. «Единственное развлечение, которое Гюйгенс позволял себе в столь отвлеченных трудах, - писал о нем один из современников, - состояло в том, что он в промежутках занимался физикой. То, что для обыкновенного человека было утомительным занятием, для Гюйгенса было развлечением».
В 1663 году Гюйгенс был избран членом Лондонского Королевского общества. В 1665 году, по приглашению Кольбера, он поселился в Париже и в следующем году стал членом только что организованной Парижской Академии наук.
В 1673 году выходит в свет его сочинение «Маятниковые часы», где даны теоретические основы изобретения Гюйгенса. В этом сочинении Гюйгенс устанавливает, что свойством изохронности обладает циклоида, и разбирает математические свойства циклоиды.
Исследуя криволинейное движение тяжелой точки, Гюйгенс, продолжая развивать идеи, высказанные еще Галилеем, показывает, что тело при падении с некоторой высоты по различным путям приобретает конечную скорость, не зависящую от формы пути, а зависящую лишь от высоты падения, и может подняться на высоту, равную (в отсутствие сопротивления) начальной высоте. Это положение, выражающее по сути дела закон сохранения энергии для движения в поле тяжести, Гюйгенс использует для теории физического маятника. Он находит выражение для приведенной длины маятника, устанавливает понятие центра качания и его свойства. Формулу математического маятника для циклоидального движения и малых колебаний кругового маятника он выражает следующим образом:
«Время одного малого колебания кругового маятника относится к времени падения по двойной длине маятника, как окружность круга относится к диаметру».
Существенно, что в конце своего сочинения ученый дает ряд предложений (без вывода) о центростремительной силе и устанавливает, что центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу окружности. Этот результат подготовил ньютоновскую теорию движения тел под действием центральных сил
Из механических исследований Христиана Гюйгенса, кроме теории маятника и центростремительной силы, известна его теория удара упругих шаров, представленная им на конкурсную задачу, объявленную Лондонским Королевским обществом в 1668 году. Теория удара Гюйгенса опирается на закон сохранения живых сил, количество движения и принцип относительности Галилея. Она была опубликована лишь после его смерти в 1703 году. Гюйгенс довольно много путешествовал, но никогда не был праздным туристом. Во время первой поездки во Францию он занимался оптикой, а в Лондоне объяснял секреты изготовления своих телескопов. Пятнадцать лет он проработал при дворе Людовика XIV, пятнадцать лет блестящих математических и физических исследований. И за пятнадцать лет - лишь две короткие поездки на родину, чтобы подлечиться
Христиан Гюйгенс жил в Париже до 1681 года, когда после отмены Нантского эдикта он, как протестант, вернулся на родину. Будучи в Париже, он хорошо знал Рёмера и активно помогал ему в наблюдениях, приведших к определению скорости света. Гюйгенс первый сообщил о результатах Рёмера в своем трактате.
Дома, в Голландии, опять не зная усталости, Гюйгенс строит механический планетарий, гигантские семидесятиметровые телескопы, описывает миры других планет.
Появляется сочинение Гюйгенса на латинском языке о свете, исправленное автором и переизданное на французском языке в 1690 году «Трактат о свете» Гюйгенса вошел в историю науки как первое научное сочинение по волновой оптике. В этом «Трактате» сформулирован принцип распространения волны, известный ныне под названием принципа Гюйгенса. На основе этого принципа выведены законы отражения и преломления света, развита теория двойного лучепреломления в исландском шпате. Поскольку скорость распространения света в кристалле в различных направлениях различна, то форма волновой поверхности будет не сферической, а эллипсоидальной.
Теория распространения и преломления света в одноосных кристаллах - замечательное достижение оптики Гюйгенса. Христиан Гюйгенс описал также исчезновение одного из двух лучей при прохождении их через второй кристалл при определенной ориентировке его относительно первого. Таким образом, Гюйгенс был первым физиком, установившим факт поляризации света.
Идеи Гюйгенса очень высоко ценил его продолжатель Френель. Он ставил их выше всех открытий в оптике Ньютона, утверждая, что открытие Гюйгенса, «быть может, труднее сделать, нежели все открытия Ньютона в области явлений света».
Цвета Гюйгенс в своем трактате не рассматривает, равно как и дифракцию света. Его трактат посвящен только обоснованию отражения и преломления (включая и двойное преломление) с волновой точки зрения. Вероятно, это обстоятельство было причиной того, что теория Гюйгенса, несмотря на поддержку ее в XVIII веке Ломоносовым и Эйлером, не получила признания до тех пор, пока Френель в начале XIX веке не воскресил волновую теорию на новой основе.
Христиан Гюйгенс умер 8 июня 1695 года, когда в типографии печаталась «КосМотеорос» - последняя его книга. (Самин Д. К. 100 великих ученых. - М.: Вече, 2000)
Еще о Христиане Гюйгенсе:
Гюйгенс (Христиан Huyghensvan Zuylichem), - математик, астроном, и физик, которого Ньютон признал великим. Отец его, синьор ван Зюйлихем, секретарь принцев Оранских был замечательным литератором и научно образован.
Научную деятельность Христиан Гюйгенс начал в 1651-м г. сочинением о квадратуре гиперболы, эллипса и круга; в 1654 открыл теорию эволют и эвольвент, в 1655 нашел спутника Сатурна и вид колец, в 1659 он описал систему Сатурна в изданном им сочинении. В 1665-м году, по приглашены Кольбера, поселился в Париже и был принят в число членов академии наук.
Часы с колесами, приводимыми в движение гирями, были в употреблении с давнего времени, но регулирование хода подобных часов было неудовлетворительно. Маятник же со времен Галилея употребляли отдельно для точного измерения небольших промежутков времени, причем приходилось вести счет числу качаний. В 1657-м году Христиан Гюйгенс издал описание устройства изобретенных им часов с маятником. Изданное им поздние, в 1673-м году, в Париже, знаменитое сочинение Horologium oscillatorium, sive de mota pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica, заключающее в себе изложение важнейших открытий по динамике, в первой своей части заключает также описание устройства часов, но с прибавлением усовершенствования в способе привеса маятника, делающего маятник циклоидальным, который обладает постоянным временем качания, независимо от величины размаха. Для объяснения этого свойства циклоидального маятника автор посвящает вторую часть книги выводу законов падения тел свободных и движущихся по наклонным прямым, а наконец и по циклоиде. Здесь в первый раз высказано ясно начало независимости движений: равноускоренного, вследствие действия тяжести, и равномерного по инерции.
Христиан Гюйгенс доказывает законы равноускоренного движения свободно падающих тел, основываясь на начале, что действие, сообщаемое телу силою постоянной величины и направления, не зависит от величины и направления той скорости, которою уже обладает тело. Выводя зависимость между высотою падения и квадратом времени, Гюйгенс делает замечание, что высоты падений относятся как квадраты приобретенных скоростей. Далее, рассматривая свободное движение тела брошенного вверх, он находит, что тело поднимается на наибольшую высоту, потеряв всю сообщенную ему скорость и приобретает ее снова при возвращении обратно.
Галилей допускал без доказательства, что при падении по различно наклонным прямым с одинаковой высоты тела приобретают равные скорости. Христиан Гюйгенс доказывает это следующим образом. Две прямые разного наклонения и равной высоты приставляются нижними концами одна к другой. Если тело, спущенное с верхнего конца одной из них приобретает большую скорость, чем пущенное с верхнего конца другой, то можно пустить его по первой из такой точки ниже верхнего конца, чтобы приобретенная внизу скорость была достаточна для подъема тела до верхнего конца второй прямой, но тогда бы вышло, что тело поднялось на высоту большую той, с которой упало, а этого быть не может.
От движения тела по наклонной прямой Х. Гюйгенс переходит к движению по ломаной линии и далее к движению по какой-либо кривой, причем доказывает, что скорость, приобретаемая при падении с какой-либо высоты по кривой, равна скорости, приобретаемой при свободном падении с той же высоты по вертикальной линии и что такая же скорость необходима для подъема того же тела на ту же высоту, как по вертикальной прямой, так и по кривой.
Затем переходя к циклоиде и рассмотрев некоторые геометрические свойства ее, автор доказывает таутохронизм движений тяжелой точки по циклоиде. В третьей части сочинения излагается теория эволют и эвольвент, открытая автором еще в 1654 г.; здесь Христиан находить вид и положение эволюты циклоиды.
В четвертой части излагается теория физического маятника, здесь Христиан Гюйгенс решает ту задачу, которая не давалась стольким современным ему геометрам - задачу об определении центра качаний. Он основывается на следующем предложении: «Если сложный маятник, выйдя из покоя, совершил некоторую часть своего качания, большую полуразмаха и если связь между всеми его частицами будет уничтожена, то каждая из этих частиц поднимется на такую высоту, что общий центр тяжести их при этом будет на той высоте, на которой он был при выходе маятника из покоя. Это предложение, не доказанное у Христиана Гюйгенса, является у него в качестве основного начала, между тем как теперь оно представляет применение к маятнику закона сохранения энергии. Теория маятника физического дана Гюйгенсом вполне в общем виде и в применении к телам разного рода. В последней, пятой части своего сочинения ученый дает тринадцать теорем о центробежной силе и рассматривает вращение конического маятника.
Другое замечательное сочинение Христиана Гюйгенса есть теория света, изданная в 1690 г., в которой он излагает теорию отражения и преломления и затем двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Из других открыли Х. Гюйгенс мы упомянем о следующих.
Открытие истинного вида сатурновых колец и двух его спутников, сделанные помощью десятифутового телескопа, им же и устроенного. Вместе с его братом Христиан Гюйгенс занимался изготовлением оптических стекол и значительно усовершенствовал их производство. Открыто теоретическим путем эллипсоидального вида земли и сжатия ее у полюсов, а также объяснение влияния центробежной силы на направление силы тяжести и на длину секундного маятника на разных широтах. Решение вопроса о соударении упругих тел одновременно с Валлисом и Бренном.
Христиану Гюйгенсу принадлежит изобретение часовой спирали, заменяющей маятник, первые часы со спиралью устроены в Париже часовым мастером Тюре в 1674 г. Ему же принадлежит одно из решений вопроса о виде тяжелой однородной цепи, находящейся в равновесии.
Христиан Гюйгенс - цитаты
Чем более трудной является задача определения при помощи рассуждений того, что кажется неопределенным и подчиненного случаю, тем более наука, которая достигает результата, представляется удивительной.
Галилей сам безрассудно рассылает 30 экземпляров своей книги влиятельным духовным лицам в Риме. Уже через несколько месяцев книга была запрещена и изъята из продажи, а Галилея вызвали в Рим (невзирая на эпидемию чумы) на суд Инквизиции по подозрению в ереси. По окончании первого допроса обвиняемого взяли под арест. Галилей провёл в заключении всего 18 дней (с 12 по 30 апреля 1633 года) - эта необычная снисходительность, вероятно, была вызвана согласием Галилея покаяться, а также влиянием тосканского герцога, непрестанно хлопотавшего о смягчении участи своего старого учителя. Принимая во внимание его болезни и преклонный возраст, в качестве тюрьмы была использована одна из служебных комнат в здании инквизиционного трибунала.
В приговоре инквизиции были обнаружены следующие слова: "Заметив, что ты при ответах не совсем чистосердечно признаёшься в своих намерениях, мы сочли необходимым прибегнуть к строгому испытанию." После "испытания" Галилей в письме из тюрьмы осторожно сообщает, что не встаёт с постели, так как его мучает "ужасная боль в бедре".
Инквизиция провела пленарное заседание, где постановила: "Ознакомившись со всем ходом дела и выслушав показания, Его Святейшество определил допросить Галилея под угрозой пытки и, если устоит, то после предварительного отречения как сильно подозреваемого в ереси… приговорить к заключению по усмотрению Святой Конгрегации. Ему предписано не рассуждать более письменно или устно каким-либо образом о движении Земли и о неподвижности Солнца… под страхом наказания как неисправимого... Вследствие рассмотрения твоей вины и сознания твоего в ней присуждаем и объявляем тебя, Галилей, за всё вышеизложенное и исповеданное тобою под сильным подозрением у сего Св. судилища в ереси, как одержимого ложною и противною Священному и Божественному Писанию мыслью, будто Солнце есть центр земной орбиты и не движется от востока к западу, Земля же подвижна и не есть центр Вселенной. Также признаем тебя ослушником церковной власти, запретившей тебе излагать, защищать и выдавать за вероятное учение, признанное ложным и противным Св. Писанию… Дабы столь тяжкий и вредоносный грех твой и ослушание не остались без всякой мзды и ты впоследствии не сделался бы еще дерзновеннее, а, напротив, послужил бы примером и предостережением для других, мы постановили книгу под заглавием "Диалог" Галилео Галилея запретить, а тебя самого заключить в тюрьму при Св. судилище на неопределённое время."
Галилей был осуждён к тюремному заключению на срок, который установит Папа. Его объявили не еретиком, а "сильно заподозренным в ереси"; такая формулировка также была тяжким обвинением, однако спасала от костра. После оглашения приговора Галилей на коленях произнёс предложенный ему текст отречения. Копии приговора по личному распоряжению Папы Урбана были разосланы во все университеты католической Европы.
Папа не стал долго держать Галилея в тюрьме. После вынесения приговора Галилея поселили на одной из вилл Медичи, откуда он был переведен во дворец своего друга, архиепископа Пикколомини в Сиене. Спустя 5 месяцев Галилею было разрешено отправиться на родину, и он поселился в Арчетри, рядом с монастырём, где находились его дочери. Здесь он провёл остаток жизни под домашним арестом и под постоянным надзором инквизиции.
Голландский физик, механик, математик и астроном, Христиан Гюйгенс, был непосредственным преемником Галилея в науке. Лагранж говорил, что Гюйгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея». В первый раз Гюйгенс соприкоснулся с идеями Галилея в 17 лет: он собирался доказать, что тела, брошенные горизонтально, движутся по параболе, и обнаружил такое доказательство в книге Галилея.
Отец Гюйгенса происходил из голландского дворянского рода и получил прекрасное образование: он знал языки и литературу многих народов и эпох, сам писал поэтические произведения по-латыни и по-нидерландски. Он был также знатоком музыки и живописи, тонким и остроумным человеком. Его интересовали достижения науки в области математики, механики и оптики. Неординарность его личности подтверждает то, что среди его друзей было много известных людей, в том числе и знаменитый Рене Декарт, выдающийся французский ученый.
Влияние Декарта сильно отразилось на формировании мировоззрения его сына, будущего великого ученого.
Детство и юность.
В восемь лет Христиан выучил латынь, знал четыре действия арифметики, а в девять лет он познакомился с географией и началами астрономии, умел определять время восхода и захода Солнца во все времена года. Когда Христиану минуло десять лет, он научился слагать стихи на латыни и играть на скрипке, в одиннадцать познакомился с игрой на лютне, а в двенадцать знал основные правила логики.
После изучения греческого, французского и итальянского языков, а также игры на клавесине, Христиан перешел к механике, которая захватила его целиком. Он конструирует различные машины, например, самостоятельно делает токарный станок. В 1643 году учитель Христиана сообщает отцу: «Христиана нужно назвать чудом среди мальчиков… Он развертывает свои способности в области механики и конструкций, делает машины удивительные…».
Далее Христиан обучается математике, верховой езде и танцам. Сохранился рукописный математический курс для Христиана, составленный известным математиком, другом Декарта, Франциском Схоутеном. В курсе излагались начала алгебры и геометрии, неопределенные уравнения из «Арифметики» Диофанта, иррациональные числа, извлечение квадратного и кубического корней, а также теория алгебраических уравнений высших степеней. Переписана книга Декарта «Геометрия». Затем даны приложения алгебры к геометрии и уравнения геометрических мест. Наконец, рассмотрены конические сечения и даны задачи на построение касательных к различным кривым методами Декарта и Ферма.
В шестнадцать лет Христиан вместе с братом поступает в Лейденский университет для изучения права и одновременно обучается математике у Схоутена, который отсылает на отзыв Декарту его первые математические работы. Декарт похвально отзывается на «математические изобретения» Христиана: «Хотя он и не вполне получил то, что ему нужно, но это никоим образом не странно, так как он попытался найти вещи, которые еще никому не удавались. Он принялся за это дело таким образом, что я уверен в том, что он сделается выдающимся ученым в этой области».
В это время Христиан изучает Архимеда, «Конические сечения» Аполлония, оптику Вителло и Кеплера, «Диоптрику» Декарта, астрономию Птолемея и Коперника, механику Стевина. Знакомясь с последней, Гюйгенс доказывает, что утверждение о том, что фигура равновесия нити, свободно подвешенной между двумя точками, будет параболой, неверно. В настоящее время известно, что нить расположится по так называемой цепной линии.
Христиан вел переписку с Марином Мерсенном, францисканским монахом, издателем французского перевода «Механики» Галилея и краткого изложения его «Диалогов…». Мерсенн живо интересовался научными достижениями своего времени и в письмах сообщал о новейших открытиях и наиболее интересных задачах математики и механики. В те времена подобная переписка заменяла отсутствовавшие научные журналы.
Мерсенн присылал Христиану интересные задачи. Из его писем тот познакомился с циклоидой и центром качания физического маятника. Узнав о критике Гюйгенсом параболической формы нити, Мерсенн сообщил, что такая же ошибка была сделана и самим Галилеем, и попросил прислать полное доказательство.
Заканчивая отчет Мерсенну о своих работах, он писал: «Я решил попробовать доказать, что тяжелые тела, брошенные вверх или в сторону, описывают параболу, но тем временем мне попала в руки книга Галилея об ускоренном движении естественном или насильственном; когда я увидал, что он доказал и это, и многое другое, то я уже не захотел писать Илиаду после Гомера».
Гюйгенс и Архимед.
После Лейдена Христиан с младшим братом Лодевиком едет учиться в «Оранской коллегии». Отец, видимо, готовил Христиана к государственной деятельности, но это Христиана не соблазняло.
В духе Архимеда двадцатитрехлетний Христиан написал книгу о теории плавания тел: «О равновесии тел, плавающих в жидкости». Позднее, в 1654 году, появилось еще одно сочинение в духе Архимеда «Открытия о величине круга», которое представляло прогресс по сравнению с архимедовым «Измерением круга». Гюйгенс получил значение числа «пи» с восемью верными знаками после запятой. Сюда же можно отнести работу «Теоремы о квадратуре гиперболы, эллипса и круга и центра тяжести их частей».
Написанный в 1657 году трактат «О расчетах при азартной игре» является одной из первых известных работ по теории вероятности.
Гюйгенс и оптика.
Еще в 1652 году Гюйгенс заинтересовался темой, которую разрабатывал Декарт. Это была диоптрика - учение о преломлении света. Своему знакомому он пишет: «Я уже имею почти написанные две книги об этом предмете, к которым добавляется и третья: первая говорит о преломлении в плоских и сферических поверхностях…, вторая о видимом увеличении или уменьшении изображений предметов, получающихся при помощи преломления». Третья книга, в которой предполагалось говорить о телескопах и микроскопах, была написана чуть позже. Над «Диоптрикой» Гюйгенс работал с перерывами около 40 лет (с 1652 по 1692 год).
Отдельные главы первой части «Диоптрики» посвящены преломлению света в плоских и сферических поверхностях; автор дает экспериментальное определение показателя преломления разных прозрачных тел и рассматривает задачи преломления света в призмах и линзах. Затем он определяет фокусное расстояние линз и исследует связь между положением предмета на оптической оси линзы и положением его изображения, то есть получает выражение основной формулы линзы. Заканчивается первая часть книги рассмотрением строения глаза и теорией зрения.
Во второй части книги Гюйгенс говорит об обратимости оптической системы.
В третьей части книги автор уделяет большое внимание сферической аберрации (искажению) линз и методам ее исправления. Для ряда частных случаев он находит форму преломляющих поверхностей линз, не дающих сферической аберрации. С целью уменьшения аберраций телескопа Христиан предлагает конструкцию «воздушного телескопа», где объектив и окуляр не связаны между собой. Длина «воздушного телескопа» Гюйгенса составляла 64 м. С помощью этого телескопа он обнаружил у Сатурна спутник, Титан, а также наблюдал четыре спутника Юпитера, открытые ранее Галилеем.
Гюйгенс с помощью своих телескопов сумел объяснить также странный вид Сатурна, смущавший астрономов, начиная с Галилея, - он установил, что тело планеты окружено кольцом.
В 1662 году Гюйгенс также предложил новую оптическую систему окуляра, которая впоследствии была названа его именем. Этот окуляр состоял из двух положительных линз, разделенных большим воздушным промежутком. Такой окуляр по схеме Гюйгенса широко применяется оптиками и в наши дни.
В 1672-1673 годах Гюйгенс знакомится с гипотезой Ньютона о составе белого света. Примерно в это же время у него формируется идея волновой теории света, которая находит свое выражение в знаменитом «Трактате о свете», вышедшем в свет в 1690 году.
Гюйгенс и механика.
Гюйгенса следует поставить в самом начале длинного ряда исследователей, которые принимали участие в установлении всеобщего закона сохранения энергии.
Гюйгенс предлагает способ определения скоростей тел после их соударения. Основной текст его трактата «Теория удара твердых тел» был закончен в 1652 году, но свойственное Гюйгенсу критическое отношение к своим трудам привело к тому, что трактат вышел только после смерти Гюйгенса. Правда, будучи в Англии в 1661 году, он демонстрировал опыты, подтверждающие его теорию удара. Секретарь Лондонского Королевского общества писал: «Был подвешен шар весом один фунт в виде маятника; когда он был отпущен, то по нему ударил другой шар, подвешенный точно так же, но только весом в полфунта; угол отклонения был сорок градусов, и Гюйгенс после небольшого алгебраического вычисления предсказал, каков будет результат, который оказался в точности соответствующим предсказанию».
Гюйгенс и часы.
На период с декабря 1655 года по октябрь 1660 года приходится наибольший расцвет научной деятельности Гюйгенса. В это время, кроме завершения теории кольца Сатурна и теории удара, были выполнены почти все основные работы Гюйгенса, принесшие ему славу.
Гюйгенс во многих вопросах наследовал и совершенствовал решение проблем, предпринятое Галилеем. Например, он обратился к исследованию изохронного характера качаний математического маятника (свойство колебаний, проявляющееся в том, что частота малых колебаний практически не зависит от их амплитуды). Вероятно, в свое время это было первым открытием Галилея в механике. Гюйгенсу представилась возможность дополнить Галилея: изохронность математического маятника (то есть независимость периода колебаний маятника определенной длины от амплитуды размаха) оказалась справедливой лишь приближенно и то для малых углов отклонения маятника. И Гюйгенс осуществил идею, которая занимала Галилея в его последние годы жизни: он сконструировал маятниковые часы.
Задачей о создании и совершенствовании часов, прежде всего маятниковых, Гюйгенс занимался почти сорок лет: с 1656 по 1693 год.
Один из основных мемуаров Гюйгенса, посвященных рассмотрению результатов по математике и механике, вышел в 1673 году под названием «Маятниковые часы или геометрические доказательства, относящиеся к движению маятников, приспособленных к часам». Пытаясь решить одну из основных задач своей жизни - создать часы, которые можно было бы использовать в качестве морского хронометра, Гюйгенс придумал множество решений и продумал много проблем, исследуя возможности их приложения к этой задаче: циклоидальный маятник, теория развертки кривых, центробежные силы и их роль и др. Одновременно он решал возникающие математические и механические задачи. Почему же задача создания часов так привлекала известного ученого?
Часы относятся к очень древним изобретениям человека. Сначала это были солнечные, водяные, песочные часы; в эпоху Средневековья появились механические часы. Долгое время они были громоздкими. Существовало несколько способов преобразования ускоренного падения груза в равномерное движение стрелок, но даже известные своей точностью астрономические часы Тихо Браге каждый день «подгонялись» принудительно.
Именно Галилей первым обнаружил, что колебания маятника изохронны и собирался использовать маятник при создании часов. Летом 1636 года он писал голландскому адмиралу Л. Реалю о соединении маятника со счетчиком колебаний (это по существу и есть проект маятниковых часов!). Однако из-за болезни и скорой кончины Галилей не закончил работу.
Нелегкий путь от лабораторных экспериментов до создания маятниковых часов преодолел в 1657 году Христиан Гюйгенс, в то время уже известный ученый. 12 января 1657 года он писал:
«На этих днях я нашел новую конструкцию часов, при помощи которой время измеряется так точно, что появляется немалая надежда на возможность измерения при ее помощи долготы, даже если придется везти их по морю».
С этого момента и до 1693 года он стремится совершенствовать часы. И если в начале Гюйгенс проявил себя как инженер, использующий в известном механизме изохронное свойство маятника, то постепенно все больше проявлялись его возможности физика и математика.
Среди инженерных его находок был ряд поистине выдающихся. В часах Гюйгенса впервые была реализована идея автоколебаний, основанная на обратной связи: энергия сообщалась маятнику так, что «сам источник колебаний определял моменты времени, когда требуется доставка энергии». У Гюйгенса эту роль выполняло простое устройство в виде якоря с косо срезанными зубцами, ритмически подталкивающего маятник.
Гюйгенс обнаружил, что колебания маятника изохронны лишь при малых углах отклонения от вертикали, и решил с целью компенсации отклонений уменьшать длину маятника при увеличении угла отклонения. Гюйгенс догадался, как это реализовать технически.
Волновая теория света.
В семидесятые годы основное внимание Гюйгенса привлекают световые явления. В 1676 году он приезжает в Голландию и знакомится с одним из создателей микроскопии Антони ван Левенгуком, после чего пытается сам изготовить микроскоп.
В 1678 году Гюйгенс приезжает в Париж, где его микроскопы произвели потрясающее впечатление. Он демонстрировал их на заседании Парижской Академии.
Христиан Гюйгенс стал создателем волновой теории света, основные положения которой вошли в современную физику. Свои взгляды он изложил в «Трактате о свете», изданном в 1690 году. Гюйгенс считал, что корпускулярная теория света, или теория истечения, противоречит свойствам световых лучей не мешать друг другу при пересечении. Он полагал, что Вселенная заполнена тончайшей, и в высшей степени, подвижной упругой средой - мировым эфиром. Если в каком-либо месте эфира частица начнет колебаться, то колебание передается всем соседним частицам, и в пространстве пробегает эфирная волна от первой частицы как центра.
Волновые представления позволили Гюйгенсу теоретически сформулировать законы отражения и преломления света. Он дал наглядную модель распространения света в кристаллах.
Волновая теория объясняла явления геометрической оптики, но поскольку Гюйгенс сравнивал световые волны и звуковые и полагал, что они являются продольными и распространяются в виде импульсов, он не смог объяснить явления интерференции и дифракции света, которые зависят от периодичности световых волн. Вообще Гюйгенс гораздо больше интересовался волнами как распространением колебаний в прозрачной среде, чем механизмом самих колебаний, который не был ему ясен.
Рассказы об ученых по физике. 2014
Свято чтивший память учителя, Вивиани был глубоко уязвлен, когда спустя 16 лет после смерти Галилея ему попалась в руки небольшая книжка, изданная в Голландии: «Трактат о часах». Ее автор Гюйгенс называл изобретателем маятниковых часов не Галилея, а себя. Он писал, что в 1657 г. заказал в Гааге мастеру Соломону Костеру механизм и уступил ему привилегию, выданную на это изобретение Генеральными штатами Нидерландов. Вивиани написал опровергающий памфлет, а принц Леопольд Медичи, к которому он обратился, взял на себя роль посредника в этом щекотливом деле.
Когда Гюйгенс получил письмо принца, оно прозвучало для него громом с ясного неба. Его обвиняли в плагиате! Как доказать, что он даже не подозревал о намерении глубоко уважаемого им Галилея построить подобные часы? А письмо прямо ставит точки над i: тайно сумел-де ознакомиться с секретной перепиской Галилея с Генеральными штатами, использовал его чертежи. Приложены копии рисунков Галилея – смотри, уравнивай...
Гюйгенс, к счастью, был знаменит. Математик, астроном, оптик, в свои 29. лет он уже признан ученым миром Голландии, Франции, Англии. Его допустили к секретным архивам Нидерландов, дали прочитать переписку с Галилеем. Оказывается, в ней говорится не о часах, а об открытом итальянским ученым способе определения долготы по спутникам Юпитера, хорошо видным в галилеевский телескоп.
Второе, не менее важное обстоятельство: механизм Галилея совсем не похож на механизм, изобретенный Гюйгенсом.
Все это молодой голландец изложил в вежливом ответе принцу Медичи. В конце приписал, что считает для себя большой честью решить задачу создания маятниковых часов, с которой не справился великий Галилей, но безоговорочно признает первенство Галилея в открытии свойств маятника. (Наверное, все участники спора были бы поражены, узнай они, что за 200 лет до Гюйгенса и Галилея маятниковые часы изобрел Леонардо да Винчи. Но бумаги Леонардо были обнаружены только спустя еще три столетия.)
Доказав несостоятельность обвинений, Гюйгенс выпустил в 1673 г. второе издание «Трактата о часах», но уже не краткое описание механизма, а глубокий анализ проблемы. В пяти частях, составлявших книгу, лишь первая была посвящена собственно часам. Далее исследовался маятник – и идеальный, математический, и реальный, физический, работа которого оказалась, как всегда это бывает, гораздо сложнее для понимания, нежели принципы действия идеала. Гюйгенс связал длину физического маятника и период его колебаний с силой тяжести (этой формулы не смог вывести Галилей) и высчитал знаменитую g – постоянную силы тяжести, причем с очень высокой для того времени точностью. Словом, как пишет известный советский историк техники Н.И. Идельсон, книга «вошла в историю науки как пример слияния технической, конструктивной проблематики с совершенно новой теоретической базой для ее полного решения».
И еще об одном чрезвычайно важном вопросе шла речь в книге Гюйгенса. Математически доказывалось, что, вопреки Галилею, период колебаний маятника зависит от амплитуды размаха. Разницу нельзя заметить, пользуясь для измерений собственным пульсом, – не удивительно, что Галилей о неравномерности этой не знал.
На практике это означало опять все то же: часы будут врать. Несовершенство колее приведет к тому, что сила, толкающая маятник, будет все время изменяться. Амплитуда колебаний и период окажутся переменными, а секунды, отсчитываемые маятником, – разными. Конечно, ошибки можно снизить, уменьшив амплитуду, но они принципиально неустранимы.
Что же делать? В «Трактате» приводилось описание не только болезни, но и лекарства. Исправить маятник можно, заставив качаться его груз по дуге не окружности, а циклоиды (по этой волнообразной кривой движутся точки колеса, катящегося по ровной дороге). Гюйгенс предложил делать стержень маятника гибким и зажимать в точке подвеса между двумя расходящимися щечками, каждая из которых изогнута по циклоиде. Тогда, доказывал Гюйгенс, изгибающийся стержень заставит чечевицу маятника двигаться тоже по циклоиде.
Увы, изобретение не выдержало проверки практикой. Трение стержня о щечки влияло на период значительнее, нежели переменность размаха. Хорошим часам циклоидальный маятник точности не прибавлял, а плохим просто был не нужен. После нескольких неудачных попыток Гюйгенс сам от него отказался. Описывать правильную циклоиду без всяких щечек маятник научился лишь триста лет спустя благодаря изобретению советского часовщика Ф.М. Федченко, о работах которого мы еще будем говорить.
Но и в своем простейшем виде маятник как регулятор хода был все-таки прекрасной находкой. Ошибка показаний часов сразу уменьшилась в 15...20 раз, на часовщиков перестали жаловаться. Точность измерялась уже не четвертью часа, а минутами и даже несколькими десятками секунд в сутки. Колоссальную роль в быстром распространении новшества сыграла «технологическая пригодность» изобретения. В отличие от маятникового хода Галилея ход Гюйгенса не требовал почти никаких переделок механизма: нужно было только выбросить билянец и поставить на его место пару дополнительных колес да устроить маятниковый подвес. И то и другое было по силам часовщику средней квалификации. Налаживать часы после доработки не было нужды: они начинали идти сразу. Новинка быстро распространилась по Европе. Не обошла она и Россию.
