享譽(yù)國(guó)際的荷蘭物理學(xué)家
——惠更斯

張曉森 王 兵

(安徽理工大學(xué)力物學(xué)院,安徽 淮南 232001)

1 教育背景

克里斯蒂亞安·惠更斯出身于荷蘭的一個(gè)富裕而顯赫的家庭，他的父親康斯坦丁·惠更斯是一位熱愛(ài)自然哲學(xué)的外交官，與英國(guó)各界聯(lián)系密切，并定期與默森通信，他還是笛卡爾的摯友，對(duì)惠更斯將來(lái)躋身于那個(gè)時(shí)代的一流科學(xué)家行列有著重要影響。惠更斯16歲以前在家接受私人教師的教育，他學(xué)習(xí)了幾何學(xué)，早年就表現(xiàn)出對(duì)機(jī)械的愛(ài)好、繪畫(huà)和數(shù)學(xué)天賦。他早期在幾何學(xué)方面的工作給偶爾造訪的笛卡爾留下了深刻的印象，他的數(shù)學(xué)研究受到了笛卡爾的影響。

1645年至1647年惠更斯在萊頓大學(xué)學(xué)習(xí)法律和數(shù)學(xué)，1647年到1649年他在布雷達(dá)的奧蘭治學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)。通過(guò)他父親與默森的關(guān)系，惠更斯和默森之間的通信大約從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始，他們探討了很多數(shù)學(xué)問(wèn)題。當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界正處于對(duì)笛卡爾哲學(xué)的激烈爭(zhēng)論之中，雖然惠更斯后來(lái)摒棄了笛卡爾的某些理論，但他贊同機(jī)械解釋在科學(xué)理論中是必需的，這對(duì)他在光和引力的研究產(chǎn)生了重要影響。

2 游歷歐洲

1649年惠更斯隨荷蘭外交使團(tuán)前往丹麥，他原本希望繼續(xù)前往斯德哥爾摩去拜訪德高望重的笛卡爾，但天氣原因阻礙了他的瑞典之旅?；莞乖?651年和1654年的第一批出版物涉及一些數(shù)學(xué)問(wèn)題，1651年出版的《雙曲線(xiàn)、橢圓和圓的求積定理》指出了圣文森特的格雷戈里的方法的錯(cuò)誤，1654年的《圓大小的發(fā)現(xiàn)》也是后續(xù)類(lèi)似研究的成果，在接下來(lái)的歲月中，他對(duì)各種平面曲線(xiàn)如懸鏈線(xiàn)、曳物線(xiàn)、對(duì)數(shù)螺線(xiàn)等都進(jìn)行過(guò)研究。

后來(lái)他將注意力轉(zhuǎn)向透鏡研磨和望遠(yuǎn)鏡制作，他提出了一種新的研磨和拋光鏡片的方法。1655年惠更斯用自己研磨的透鏡制作望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)到了土星的一顆衛(wèi)星，同年惠更斯第一次來(lái)到巴黎，由于他那高貴的出身、富裕的家境和和藹可親的態(tài)度，使其很快融入當(dāng)時(shí)巴黎知識(shí)分子和社會(huì)名流的圈子。他向包括布利奧在內(nèi)的巴黎數(shù)學(xué)家交流了他的研究發(fā)現(xiàn)，惠更斯在帕斯卡爾和費(fèi)馬之間的通信中了解到概率方面的工作，回國(guó)后很快發(fā)表了一篇關(guān)于概率論的短文——《論賭博中的計(jì)算》。

1656年惠更斯發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的真實(shí)形狀，當(dāng)時(shí)包括羅伯瓦爾和布利奧等很多學(xué)者對(duì)此有不同的看法。布利奧表示未能探測(cè)到土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六，惠更斯意識(shí)到他可能使用的是較差的望遠(yuǎn)鏡。1659年在《土星系統(tǒng)》一文中，惠更斯解釋了土星環(huán)的形狀和變化，當(dāng)時(shí)人們都質(zhì)疑他的理論和觀察。1665年人們利用改進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡證實(shí)了惠更斯的觀測(cè)結(jié)果，包括法布里在內(nèi)的很多學(xué)者都接受了他的理論。

天文學(xué)研究需要精確的計(jì)時(shí)，這促使惠更斯解決這個(gè)問(wèn)題。1656年他申請(qǐng)了第一個(gè)擺鐘的專(zhuān)利，這大大提高了時(shí)間測(cè)量的精度。1673年惠更斯在《鐘擺運(yùn)動(dòng)理論》一文中，總結(jié)了鐘擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，杰出的工作中包含曲率的數(shù)學(xué)理論，他完整地推導(dǎo)出了單擺振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)公式，他還推導(dǎo)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)的離心力定律。

惠更斯于1660年回到巴黎，參加了那里舉辦的各種科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議，在這些協(xié)會(huì)中，他遇到了許多數(shù)學(xué)家，包括羅伯瓦爾、卡卡維、帕斯卡、皮埃爾·佩蒂特、德薩格和索比埃。

1661年惠更斯訪問(wèn)了倫敦，特別是為了了解英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。沃里斯和其他英國(guó)科學(xué)家給他留下了深刻的印象，從這一天起，他深入與英國(guó)學(xué)者接觸交流。他向英國(guó)科學(xué)家展示了他的望遠(yuǎn)鏡，事實(shí)證明他的望遠(yuǎn)鏡比在英國(guó)使用的望遠(yuǎn)鏡更勝一籌，約克公爵等人利用惠更斯的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了月球和土星。在倫敦惠更斯看到了博伊爾的真空泵，這給他留下了深刻的印象，回到海牙后，他做了一些博伊爾做過(guò)的實(shí)驗(yàn)?；莞褂?663年當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。當(dāng)時(shí)惠更斯為擺鐘設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專(zhuān)利，同時(shí)他還想到了經(jīng)度問(wèn)題的解決方案。

3 在法國(guó)科學(xué)院工作

1666年惠更斯接受了被伏爾泰譽(yù)為“治國(guó)良相”的法國(guó)財(cái)政大臣科爾伯特的邀請(qǐng)，成為法國(guó)科學(xué)院的一員。那一年他來(lái)到巴黎，發(fā)現(xiàn)科學(xué)院還沒(méi)有真正組織起來(lái)。在科爾伯特的圖書(shū)館與羅伯瓦爾、卡卡維等人舉行會(huì)議之后，法國(guó)科學(xué)院搬到了皇家圖書(shū)館，作為科學(xué)院卓越的成員，惠更斯獲得了很高的薪俸，并居住在皇家圖書(shū)館，他在很大程度上是基于對(duì)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)運(yùn)作方式的了解來(lái)組織法國(guó)科學(xué)院。

惠更斯關(guān)于彈性體碰撞的研究表明笛卡爾碰撞定律存在錯(cuò)誤，他關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的回憶錄于1668年被送到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)?；莞雇ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)證明：兩個(gè)物體碰撞前在某一方向上的動(dòng)量等于碰撞后在該方向上的動(dòng)量，從而糾正了笛卡爾沒(méi)有考慮動(dòng)量方向的錯(cuò)誤。圓周運(yùn)動(dòng)是惠更斯在這個(gè)時(shí)期研究的課題，他也繼續(xù)思考笛卡爾基于旋渦的引力理論。在這段時(shí)間里，他已經(jīng)表現(xiàn)出對(duì)笛卡爾理論不滿(mǎn)的跡象，但他仍然在1669年就這個(gè)問(wèn)題發(fā)表了演講，在他的演講之后，羅伯瓦爾和馬略特強(qiáng)烈地質(zhì)疑笛卡爾的理論，這可能影響了惠更斯。由于惠更斯的健康狀況一直不好，1670年他身患重病離開(kāi)巴黎去了荷蘭。在離開(kāi)巴黎之前，他懷疑自己將不久于人世，便把他未發(fā)表的力學(xué)論文寄給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。

1671年惠更斯來(lái)到巴黎，1672年法荷戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，惠更斯發(fā)現(xiàn)自己處于極其困難的境地，因?yàn)樵诜▏?guó)與祖國(guó)開(kāi)戰(zhàn)之際，自己卻在巴黎身居高位。還好在那個(gè)時(shí)代的科學(xué)家們都覺(jué)得自己不受政治、戰(zhàn)爭(zhēng)的影響，惠更斯也能夠在朋友們的大力支持下繼續(xù)他的工作。

1672年惠更斯和萊布尼茨在巴黎會(huì)面，此后萊布尼茨經(jīng)常訪問(wèn)法國(guó)科學(xué)院。通過(guò)深入交流，萊布尼茨從惠更斯那里學(xué)到了很多數(shù)學(xué)知識(shí)，惠更斯也獲悉了牛頓在望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)方面的工作。他的著作《鐘擺運(yùn)動(dòng)理論》于1673年問(wèn)世，這是惠更斯接受路易十四資助的職位后發(fā)表的第一部著作，這一舉動(dòng)有助于加強(qiáng)他在巴黎的地位，但在荷蘭引起了一些反對(duì)意見(jiàn)。在這部著作中，惠更斯證明了擺動(dòng)的等時(shí)性，這是一個(gè)重要的理論結(jié)果，他還解決了復(fù)擺的問(wèn)題，然而關(guān)于鐘擺還有很多工作要做。

惠更斯描述了物體在真空中垂直或沿曲線(xiàn)下降的過(guò)程，他定義了曲線(xiàn)的漸屈線(xiàn)與漸伸線(xiàn)，在給出一些基本性質(zhì)之后，找到了擺線(xiàn)和拋物線(xiàn)的漸屈線(xiàn)，惠更斯在這項(xiàng)工作中首次嘗試研究物體而不是粒子的動(dòng)力學(xué)。

1676年惠更斯再次患病，回到了海牙。他在那里花了兩年時(shí)間，特別研究了巴多林在冰洲石晶體中發(fā)現(xiàn)的雙折射現(xiàn)象。他還研究了光速問(wèn)題，認(rèn)為光速是有限的，并很高興地知悉了羅默的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察木星的衛(wèi)星得到了光速的近似值。1678年惠更斯再次回到巴黎，并在《光論》中提出了光的波動(dòng)說(shuō)?；莞J(rèn)為一個(gè)不斷膨脹的光球的行為就好像波前的每個(gè)點(diǎn)都是同頻率和同相位的新輻射源，這就是著名的惠更斯原理。1690年《光論》正式出版，在討論光的本質(zhì)時(shí)，再次表明了他對(duì)機(jī)械解釋的需求，他基于惠更斯原理對(duì)反射和折射做出了解釋?zhuān)瑑?yōu)于牛頓的解釋。后來(lái)他因健康欠佳于1681年再次回到海牙，這是他最后一次回到海牙。經(jīng)度問(wèn)題是惠更斯一生都在研究鐘表的原因，1682年當(dāng)健康恢復(fù)后，他為荷蘭東印度公司設(shè)計(jì)了一個(gè)新的航海鐘，他用游絲代替較笨重的鐘擺，設(shè)計(jì)出許多鐘表中所用的等時(shí)結(jié)構(gòu)。

4 會(huì)見(jiàn)牛頓

1683年法國(guó)名臣科爾伯特去世，沒(méi)有這位摯友的支持，惠更斯返回巴黎似乎是不可能的。1687年惠更斯的父親去世，次年他的弟弟前往英國(guó)，惠更斯倍感孤獨(dú)并思念那些可以討論科學(xué)問(wèn)題的朋友。1689年他又來(lái)到英國(guó)，這次惠更斯遇見(jiàn)了牛頓、博伊爾和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的其他科學(xué)家。目前還不清楚惠更斯和牛頓進(jìn)行了哪些討論，但惠更斯對(duì)牛頓非常欽佩，但同時(shí)也表示不相信萬(wàn)有引力理論，在他看來(lái)該理論非?；闹嚒；莞拐J(rèn)為當(dāng)兩個(gè)遙遠(yuǎn)的天體之間沒(méi)有任何東西時(shí)，人們?cè)趺茨芟嘈潘鼈兿嗷ノ?/p>

很明顯惠更斯認(rèn)為牛頓的引力理論從根本上沒(méi)有采用任何機(jī)械的解釋?zhuān)遣豢山邮艿?。最后惠更斯孤?dú)地離開(kāi)了英國(guó)，在他生命的最后幾年，惠更斯撰寫(xiě)了關(guān)于外星生命的最早討論，并在他死后的1698年以《宇宙理論》為題發(fā)表。他繼續(xù)改進(jìn)鏡片，研制彈簧調(diào)節(jié)時(shí)鐘和新的擺鐘，惠更斯在1687年給茨爾恩豪斯的信中寫(xiě)道：“巨大的困難最初是能感覺(jué)到的，這些困難只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能克服。然后再構(gòu)思某些假設(shè)……但即便如此，仍有許多艱苦的工作要做，一個(gè)人不僅需要敏銳的洞察力，而且往往還需要一定程度的好運(yùn)氣?！?/p>

惠更斯既重視實(shí)驗(yàn)也重視推理，他善于在數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上分析自然現(xiàn)象的機(jī)械原因，他的研究成果豐富了17世紀(jì)物理學(xué)，他把伽利略對(duì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)處理與笛卡爾對(duì)自然終極設(shè)計(jì)的看法結(jié)合起來(lái)，他是一個(gè)熱心的笛卡爾主義者，試圖糾正這個(gè)理論體系中的錯(cuò)誤，但最后卻成了最尖銳的批評(píng)者。惠更斯在處理碰撞、向心力和復(fù)擺時(shí)，逐漸闡明了質(zhì)量、重量、動(dòng)量、力和功的概念，他的科學(xué)成就永遠(yuǎn)值得我們紀(jì)念。