Гюйгенс, Християн
Один із основоположників теоретичної механіки та теорії ймовірностей. Зробив значний внесок в оптику, молекулярну фізику, астрономію, геометрію, годинну справу. Відкрив кільця Сатурна та Титан (супутник Сатурна). Винайшов першу практично застосовну модель годинника з маятником. Започаткував хвильову оптику.
Зміст
Гюйгенс народився Гаазі в 1629 року. Батько його Костянтин Гюйгенс (Хейгенс), таємний радник принців Оранських, був чудовим літератором, який здобув також гарну наукову освіту. Костянтин був другом Декарта, і декартівська філософія (картезіанство) вплинула не тільки на батька, але і на самого Християна Гюйгенса [9] .
У 1657 році Гюйгенс отримав голландський патент на конструкцію маятникового годинника. В останні роки життя цей механізм намагався створити Галілей, але йому завадила прогресуюча сліпота. Годинник на основі маятника намагався створити й інші винахідники, однак надійну та недорогу конструкцію, придатну для масового застосування, першим знайшов Гюйгенс, його годинник реально працював і забезпечував чудову для того часу точність ходу [12] . Центральним елементом конструкції був придуманий Гюйгенсом якір, який періодично підштовхував маятник і підтримував рівномірні коливання. Сконструйований Гюйгенсом годинник з маятником швидко набув широкого поширення по всьому світу. У 1673 році під назвою «Маятниковий годинник» вийшов надзвичайно змістовний трактат Гюйгенса з кінематики прискореного руху. Ця книга була настільною у Ньютона, який завершив розпочату Галілеєм і продовжену Гюйгенсом побудову фундаменту механіки [13] .
У 1661 році Гюйгенс здійснив поїздку до Англії. У 1665 році на запрошення Кольбера оселився в Парижі, де в1666 року було створено Паризьку Академію наук. На пропозицію того ж Кольбера Гюйгенс став її першим президентом і керував Академією 15 років. В 1681, у зв'язку з наміченою скасуванням Нантського едикту, Гюйгенс, не бажаючи переходити в католицизм, повернувся до Голландії, де продовжив свої наукові дослідження. На початку 1690-х років здоров'я вченого стало погіршуватися, він помер 1695 року. Останньою працею Гюйгенса став «Космотеорос», у ньому він аргументував можливість життя інших планетах [14] .
Лагранж писав, що Гюйгенсу «судилося вдосконалити і розвинути найважливіші відкриття Галілея» [15] .
Математика
Наукову діяльність Християн Гюйгенс розпочав у 1651 році твором про квадратур гіперболи, еліпса та кола. В 1654 він розробив загальну теорію еволют і евольвент, досліджував циклоїду і ланцюгову лінію, просунув теорію безперервних дробів [16] [8] .
У 1657 році Гюйгенс написав додаток «Про розрахунки в азартній грі» до книги його вчителя ван Схоотена «Математичні етюди». Це був перший виклад почав теорії ймовірностей, що зароджується тоді. Гюйгенс, поруч із Ферма і Паскалем, заклав її основи, ввів фундаментальне поняття математичного очікування. За цією книгою знайомився з теорією ймовірностей Якоб Бернуллі, який завершив створення основ теорії [17] .
У 1657 році Гюйгенс видав опис пристрою винайденого ним годинника з маятником. У той час вчені не мали такого необхідного для експериментів приладу, як точний годинник. Галілей, наприклад, щодо законів падіння вважав удари власного пульсу. Годинник з колесами, що приводилися в рух гирями, був у вжитку з давніх-давен, але точність їх була незадовільна. Маятник же з часів Галілея вживали окремо для точного виміруневеликих проміжків часу, причому доводилося вести рахунок коливань. Годинник Гюйгенса мав гарну точність, і вчений далі неодноразово, протягом майже 40 років, звертався до свого винаходу, удосконалюючи його та вивчаючи властивості маятника. Гюйгенс мав намір застосувати маятниковий годинник для вирішення завдання визначення довготи на морі, але істотного просування не досяг. Надійний і точний морський хронометр з'явився лише в 1735 (у Великобританії) [18] .
Гюйгенс виводить закони рівноприскореного руху вільно падаючих тіл, ґрунтуючись на припущенні, що дія, що повідомляється тілу постійною силою, не залежить від величини та напряму початкової швидкості. Виводячи залежність між висотою падіння і квадратом часу, Гюйгенс зауважує, що висоти падінь відносяться як квадрати придбаних швидкостей. Далі, розглядаючи вільний рух тіла, кинутого вгору, він знаходить, що тіло піднімається на найбільшу висоту, втративши всю повідомлену йому швидкість, і набуває її знову при поверненні назад [19] .
Якщо складний маятник, вийшовши зі спокою, здійснив деяку частину свого хитання, велику напіврозмаху, і якщо зв'язок між усіма його частинками буде знищено, то кожна з цих частинок підніметься на таку висоту, що загальний центр тяжкості їх буде при цьому на тій висоті, на якої він був при виході маятника зі спокою.
Ця пропозиція, не доведена у Гюйгенса, є в нього як основний початок, тим часом як тепер вона представляє простий наслідок закону збереження енергії.
Теорія фізичного маятника дана Гюйгенсом цілком у загальному вигляді та у застосуванні до тіл різного роду. Гюйгенс виправив помилку Галілея і показав, що проголошена останнім ізохронність коливань маятника має місце лишеприблизно. Він відзначив ще дві помилки Галілея в кінематиці: рівномірний рух по колу пов'язаний з прискоренням (Галілей це заперечував), а відцентрова сила пропорційна не швидкості, а квадрату швидкості [20] .
В останній, п'ятій частині свого твору Гюйгенс дає тринадцять теорем про відцентрову силу. Цей розділ дає вперше точне кількісне вираз для відцентрової сили, яке згодом відіграло важливу роль для дослідження руху планет та відкриття закону всесвітнього тяжіння. Гюйгенс наводить у ній (словесно) кілька фундаментальних формул [19] :
Астрономія
Гюйгенс самостійно удосконалив телескоп; в 1655 він відкрив супутник Сатурна Титан і описав кільця Сатурна. У 1659-му він описав усю систему Сатурна у виданому ним творі [16] .
В 1672 він виявив крижану шапку на Південному полюсі Марса [21] . Він докладно описав туманність Оріона та інші туманності, спостерігав подвійні зірки, оцінив (досить точно) період обертання Марса навколо осі.
Оптика та теорія хвиль
Гюйгенс брав участь у сучасних йому суперечках про природу світла. У 1678 році він випустив «Трактат про світло [en]» (фр. Traité de la lumière) — нарис хвильової теорії світла: ньютонівська «Оптика» (англ. Opticks) з викладом альтернативної корпускулярної теорії [en] вийшла в 1704 році.
Інше чудове твір він видав 1690 року; там він виклав якісну теорію відображення, заломлення та подвійного променезаломлення в ісландському шпаті в тому самому вигляді, як вона викладається тепер у підручниках фізики. Сформулював «принцип Гюйгенса», що дозволяє досліджувати рух хвильового фронту, згодом розвинений Френелем і зіграв важливу роль хвильової теорії світла. Відкрив поляризацію світла (1678) [16] .
Йомуналежить оригінальне вдосконалення телескопа, використаного ним в астрономічних спостереженнях і згаданого в параграфі про астрономію, він винайшовокуляр Гюйгенса, що складається з двох плосковипуклих лінз (використовується і в наші дні). Також він є винахідником діаскопічного проектора – т.з. «Чарівного ліхтаря» [16] .
Інші досягнення
Йому належить винахід годинникової спіралі, що замінює маятник, украй важливий для навігації; перший годинник зі спіраллю був сконструйований у Парижі годинниковим майстром Тюре в 1674 році. У 1675 році запатентував кишеньковий годинник.
Гюйгенс першим закликав вибрати всесвітню натуральну міру довжини, якою запропонував 1/3 довжини маятника з періодом коливань 1 секунда (це приблизно 8 см).
У молодості Гюйгенс захоплювався системою світу Декарта (картезіанством), але пізніше став ставитись до неї критично. Ні механіка, ні оптика Гюйгенса не схожі на декартівські. Наприкінці життя Гюйгенс так оцінив ідеї Декарта: «Зараз я не знаходжу у всій його фізиці, метафізиці чи метеорології нічого, що міг би прийняти за істину». У філософії науки Гюйгенс був ближче до позиції Галілея і Ньютона, ніж Декарта - він не вигадував спекулятивні «першопричини», для Гюйгенса пояснити явище природи означало знайти на дослідах і висловити математично закони, яким воно підпорядковується [12] :
У галузі фізики не існує точних доказів, а причини можна дізнатися лише через наслідки, робити припущення — тільки на основі досвіду чи відомих явищ і намагатися перевірити, чи відповідають цим припущенням інші явища