gaoguanzhong的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/gaoguanzhong

博文

他让计时精确化——荷兰科学家惠更斯 精选

已有 6455 次阅读 2023-1-29 13:42 |个人分类:外国人物|系统分类:海外观察

作者 高关中(德国汉堡)2023/1/26

荷兰科学家惠更斯(1609-1695)是世界知名的物理学家、数学家、天文学家和发明家。他发明的摆钟,使人类告别沙漏、日晷等仪器,进入了精确计时的时代。

 

家境优渥,潜心科研

克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens) 1629年4月14 日出生于海牙。是家中的第二个儿子。其父康斯坦丁·惠更斯(Constantijn Huygens,1596-1687)为外交家和诗人,在文学和科学方面都极为博学,精通音乐美术,是荷兰文艺复兴时期最后一位大师。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。他是法国数学家笛卡尔的朋友。学生时代惠更斯曾接受过笛卡尔的指导。

惠更斯最初跟随父亲学习。他自幼聪慧,13岁时曾自制一台车床,表现出很强的动手能力。16岁,进入莱顿大学学习法律与数学。18岁转入新成立的位于布雷达(Breda)的奥兰治学院(College van Oranje,1669年关闭)学习法律。1655年成为法学博士

但科学是惠更斯的最爱。从1650年起惠更斯一直呆在家到1666年,除了到巴黎和伦敦的三次旅行。父亲提供的资助让他可以完全投入到对自然的研究中。这些年是惠更斯的生涯中最多产的时期,成果累累,蜚声欧洲。1663年他被聘为英国皇家学会第一个外籍会员,1666年刚成立的法国皇家科学院选他为院士。惠更斯法王路易十四的邀请下前往巴黎工作,卜居到1681年。作为法国科学院最卓越的会员,惠更斯获得了很高的薪俸,并居住在皇家图书馆(Bibliothéque Royal)的一套房间中。其间他指导过莱布尼茨学习数学1681年他回到荷兰,在海牙以及其东郊福尔堡(Voorburg)附近的家庭乡村别墅霍夫维克(Hofwijck,现为纪念馆)继续科学研究14年。晚年牛顿等人也有交往。

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。他留给人们的科学论文与著作68种。荷兰科学院编辑出版了惠更斯全集》,共有22卷之多。

 

科学造表之父

我们知道,伽利略发现吊钟来回摆动一周的时间是一样的,这个规律叫做摆的等时性。而惠更斯进一步研究,1656年,也就是伽利略去世14年后,造出了第一座带摆的时钟,获得荷兰国会的专利权。他在1658年出版的《钟表》一书中详细地描述了这一发明。这架摆钟由大小、形状不同的一些齿轮组成,利用重锤作单摆的摆锤,由于摆锤可以调节,计时就比较准确。摆钟可以精确到日误差在5分钟以内的范围。

惠更斯不是一般的钟表匠,而是科学家。他在研究摆的过程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,并用摆来测量重力加速度。他写出《关于钟摆的运动》(1673)这部著作,提出了摆的数学理论,导出单摆振动时间的公式。他根据这一公式第一个计算出重力加速度的值。他得出了关于离心力的许多重要原理。他建立了向心加速度概念和向心加速度公式,这有助于牛顿得出万有引力定律。惠更斯是创建经典力学的先驱。

惠更斯发明摆钟,并不沾沾自喜,而是继续探索。他感到立式摆钟比较笨重,而且必须垂直放置,稍偏一点,钟就会停下来。能不能找一个小巧一些的摆呢?他发现弹簧的振动很有规律,于是再接再厉,把一条又长又窄的金属卷起,绕成一个平面螺旋形,这是一种螺旋式弹簧,又叫游丝。游丝的一头固定,另一头安在摆轴上。摆轴上装着摆轮,拨动一下摆轮,摆轮就会不停地转来转去,就像我们推动一下大厅门口的弹簧门一样,弹簧门不会立即停下来,而是围绕着平衡位置不断地摆动,摆轮每摆一次的时间都是一样的,成为量度时间的一个小巧的“尺子”。 1673年,惠更斯发明摆轮游丝(螺线形的平衡摆簧)振动系统,用以代替单摆,制成便携式钟表,这就是近代机械式手表的起源。据记载,当时英国科学家胡克(Robert Hooke,1635-1703),也进行了游丝的研究,但两人是独立进行的。今天虽然有了石英钟、电子手表,机械表仍然在继续使用,名牌手表仍然是机械表。

摆锤和摆轮游丝振动系统的采用,大大提高了时钟的精确度,直至今天部分人仍在使用。计时的准确性不光对人们的日常生活很重要,而对天文、物理等学科更是必不可少,对当时的航海导航也是一个巨大的推动,因为经度是要靠两地时间的差别来确定的。

这里要说明一下,在惠更斯之前,其实已经有机械表,如德国纽伦堡工匠亨莱因(Peter Henlein,约1485-1542)1505年发明的纽伦堡蛋形怀表,但只有一根时针,且误差相当大。而惠更斯的摆钟和游丝机械表是在科学理论和数学基础上发明的,计时要精确得多。所以惠更斯被誉为“科学造表之父”,他开创了精确性的时代。

摆钟、游丝,光凭这两样,惠更斯就是一流的大发明家,但惠更斯的成就远远不止这些。他是介于伽利略牛顿之间一位重要的物理学先驱。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。

 

多方面的成就

在阿基米德等人著作及笛卡尔、帕斯卡等人直接影响下,惠更斯致力于力学、光学、天文学及数学的研究。他善于把科学实践和理论研究结合起来,透彻地解决问题,因此在摆钟的发明、天文仪器的设计、弹性体碰撞和光的波动理论等方面都有突出成就。他既重实验,更重推理,善于在数学理论的基础上把自然现象归于机械原因,有力地加强了物理学在17世纪的奠基工作。

惠更斯曾首先集中精力研究数学问题,22岁时就发表了论文《双曲线、椭圆和圆的求积定理》。后来他对悬链线(他发现悬链线与抛物线的区别)、曳物线、对数螺线等都进行过研究,得出了曲线的求长法、旋转曲面面积计算法等。惠更斯1657年发表的《论赌博中的计算》是最早的概率论科学论文,因此他被誉为概率论的创始人,这显示了他在数学上的造诣。他还取得现在看来是属于微积分领域的一些重要成果。

在光学方面,惠更斯创立了光的波动说,应用于反射、折射和双折射现象的解释时,获得了成功。后来,法国物理学家菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel,1788-1827)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”,又较好地解释了衍射现象,完成了光的波动说的全部理论。惠更斯光的波动说与牛顿提出的粒子说不同,曾长期被忽略,事实上两者都是正确的。

惠更斯深入研究了几何光学理论和应用光学技术,改进了望远镜和显微镜。他发明的目镜效果良好,被称为惠更斯目镜,至今通用。他磨制了几种几十米长焦距(最长达63米)的物镜,悬在高杆上与目镜配成色差很小无管“空中望远镜”,这种设备曾在天文观测中用了几乎一世纪。

惠更斯在天文学方面贡献也很大,他用自制的望远镜进行天文观测,先后发现了土星最大的卫星(土卫六,1655)和土星的光环,还观察到猎户座大星云。他在《宇宙论》中阐明恒星都是宇宙中的太阳。

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日他卒于海牙,享年66岁。被安葬在圣雅各大教堂(Sint-Jacobskerk)。圣雅各堂是海牙的最宏伟的新教教堂,位于以其高塔命名的塔街(Torenstraat)。它与附近的宾嫩霍夫(内府)同为海牙最古老的建筑之一。




https://blog.sciencenet.cn/blog-3032375-1373974.html

上一篇:现代教育先驱——夸美纽斯
下一篇:飞利浦电气开创者——菲利浦兄弟
收藏 IP: 77.10.44.*| 热度|

12 史晓雷 冯圣中 周忠浩 黄永义 张学文 赵凤光 张晓良 许培扬 晏成和 汪晓军 马德义 李春来

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-19 17:22

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部