Кристиан Гюйгенс -Christiaan Huygens

Христиан Гюйгенс

Христиан Гюйгенс-painting.jpeg
Родился ( 1629-04-14 )14 апреля 1629 г.
Умер 8 июля 1695 г. (1695-07-08)(66 лет)
Гаага, Голландская Республика
Альма-матер
Известен
Научная карьера
Поля
Учреждения
Академические консультанты Франс ван Шутен
Влияния
Под влиянием
Подпись
Гюйгенс черно-белая подпись.jpg

Кристиан Гюйгенс, лорд Zuilichem , FRS ( / ˈh ɡ ən z / HY -gənz , также США : / ˈh ɔɪ ɡ ən z / HOY -gənz , голландский:  [ˈkrɪstijaːn ˈɦœyɣə(n)s ] ( слушать )значок динамика также пишется Huyghens ; латынь : Hugenius ; 14 апреля 1629 — 8 июля 1695) был голландским математиком , физиком , астрономом и изобретателем , который считается одним из величайших ученых всех времен и крупной фигурой в научной революции . В физике Гюйгенс внес новаторский вклад в оптику и механику , а как астроном он в основном известен своими исследованиями колец Сатурна и открытием его спутника Титана . Как изобретатель он усовершенствовал конструкцию телескопов и изобрел маятниковые часы , прорыв в хронометрии и самый точный хронометр за почти 300 лет. Исключительно талантливый математик и физик, Гюйгенс был первым, кто идеализировал физическую проблему с помощью набора параметров, а затем проанализировал ее математически, и первым, кто полностью математизировал механистическое объяснение ненаблюдаемого физического явления. По этим причинам его называют первым физиком- теоретиком и одним из основателей современной математической физики .

В 1659 году Гюйгенс вывел геометрически теперь стандартные формулы классической механики для центростремительной силы и центробежной силы в своей работе De vi Centrifuga . Гюйгенс также впервые определил правильные законы упругого столкновения в своей работе De Motu Corporum ex Percussione , опубликованной посмертно в 1703 году. В области оптики он наиболее известен своей волновой теорией света , которую он предложил в 1678 году и описан в его Traité de la Lumière (1690). Его математическая теория света была первоначально отвергнута в пользу корпускулярной теории света Ньютона , пока Огюстен-Жан Френель не принял принцип Гюйгенса, чтобы дать полное объяснение прямолинейного распространения и эффектов дифракции света в 1821 году. Сегодня этот принцип известен как принцип Гюйгенса-Френеля .

Гюйгенс изобрел часы с маятником в 1657 году, которые он запатентовал в том же году. Его исследования в области часового дела привели к обширному анализу маятника в Horologium Oscillatorium (1673 г.), который считается одной из самых важных работ 17 века по механике. В то время как первая и последняя части содержат описание конструкции часов, большая часть книги представляет собой анализ движения маятника и теорию кривых . В 1655 году Гюйгенс вместе со своим братом Константином начал шлифовать линзы, чтобы построить телескопы для астрономических исследований. Он был первым, кто определил кольца Сатурна как «тонкое плоское кольцо, нигде не соприкасающееся и наклоненное к эклиптике», и открыл первый из спутников Сатурна, Титан, с помощью телескопа- рефрактора . В 1662 году Гюйгенс разработал то, что сейчас называется окуляром Гюйгена , телескопом с двумя линзами, которые уменьшили величину дисперсии .

Как математик Гюйгенс разработал теорию эволютов и написал об азартных играх и проблеме очков в Ван Рекенинге в Спелене ван Глюка , которую Франс ван Шоотен перевел и опубликовал как De Ratiociniis в Ludo Aleae (1657). Использование значений ожидания Гюйгенсом и другими позже вдохновило Якоба Бернулли на работу по теории вероятностей .

биография

Портрет отца Гюйгенса ( в центре) и его пятерых детей (Христиан справа). Маурицхейс , Гаага .

Христиан Гюйгенс родился 14 апреля 1629 года в Гааге , в богатой и влиятельной голландской семье, вторым сыном Константина Гюйгенса . Кристиан был назван в честь своего деда по отцовской линии. Его мать, Сюзанна ван Берле , умерла вскоре после рождения сестры Гюйгенса. У пары было пятеро детей: Константин (1628 г.), Христиан (1629 г.), Лодевейк (1631 г.), Филипс (1632 г.) и Сюзанна (1637 г.).

Константин Гюйгенс был дипломатом и советником Дома Оранских , а также поэтом и музыкантом. Он широко переписывался с интеллектуалами по всей Европе; среди его друзей были Галилео Галилей , Марин Мерсенн и Рене Декарт . Христиан получил домашнее образование до шестнадцати лет и с юных лет любил играть с миниатюрами мельниц и других машин. Его отец дал ему гуманитарное образование : он изучал языки, музыку , историю , географию , математику , логику и риторику , а также танцы , фехтование и верховую езду .

В 1644 году у Гюйгенса был наставник по математике Ян Янс Стампиоен , который дал 15-летнему мальчику список литературы по современной науке. Позже Декарт был впечатлен его способностями к геометрии, как и Мерсенн, который окрестил его «новым Архимедом ».

Студенческие годы

В шестнадцать лет Константин отправил Гюйгенса изучать право и математику в Лейденский университет , где он учился с мая 1645 по март 1647 года. Франс ван Схоотен был академиком в Лейдене с 1646 года и стал частным репетитором Гюйгенса и его старшего брата. , Константин-младший, заменивший Стампиоэна по совету Декарта. Ван Шоотен обновил свое математическое образование, в частности познакомив его с работами Виета , Декарта и Ферма .

Через два года, начиная с марта 1647 года, Гюйгенс продолжил обучение в только что основанном Оранж-колледже , в Бреде , где куратором был его отец . Его время в Бреде в конечном итоге закончилось, когда его брат Лодевейк, который уже был зачислен, оказался на дуэли с другим учеником. Константин Гюйгенс принимал активное участие в создании нового колледжа, просуществовавшего только до 1669 года; ректором был Андре Риве . Христиан Гюйгенс жил в доме юриста Иоганна Хенрика Добера, когда учился в колледже, и посещал уроки математики с английским лектором Джоном Пеллом . Он завершил учебу в августе 1649 года. Затем он работал дипломатом в миссии с Генрихом, герцогом Нассау . Это привело его в Бентхайм , затем во Фленсбург . Он отправился в Данию, посетил Копенгаген и Хельсингёр и надеялся пересечь Эресунн , чтобы навестить Декарта в Стокгольме . Это не должно было быть.

Хотя его отец Константин хотел, чтобы его сын Христиан был дипломатом, обстоятельства помешали ему стать таковым. Первый период без штатгальтеров , начавшийся в 1650 году, означал, что Дом Оранских больше не находился у власти, что устранило влияние Константина. Далее он понял, что сыну такая карьера неинтересна.

Ранняя переписка

Изображение подвесной цепи ( контактной сети ) в рукописи Гюйгенса.

Гюйгенс обычно писал по-французски или по-латыни. В 1646 году, еще будучи студентом колледжа в Лейдене, он начал переписку с другом своего отца, разведчиком Мерсенном, который вскоре умер в 1648 году. Январь 1647 года.

Письма показывают ранний интерес Гюйгенса к математике. Октябрь 1646 г. - висячий мост и демонстрация того, что висящая цепь не является параболой , как думал Галилей. Позже Гюйгенс назвал эту кривую катенарией ( цепной связью ) в 1690 году, когда он соответствовал Готфриду Лейбницу .

В следующие два года (1647–1648) письма Гюйгенса к Мерсенну касались различных тем, в том числе утверждения Грегуара де Сен-Винсента о квадратуре круга , ошибочность которых Гюйгенс показал, выпрямления эллипса, снарядов и вибраций . строка . Некоторые из забот Мерсенна в то время, такие как циклоида (он отправил Гюйгенсу трактат Торричелли о кривой), центр колебаний и гравитационная постоянная , были вопросами, которыми Гюйгенс серьезно занялся только к концу 17 века. Мерсенн также писал по теории музыки. Гюйгенс предпочитал иметь в виду один темперамент ; он ввел новшество в 31 равный темперамент (что само по себе не было новой идеей, но было известно Франсиско де Салинасу ), используя логарифмы, чтобы исследовать его дальше и показать его тесную связь с подразумеваемой системой.

В 1654 году Гюйгенс вернулся в дом своего отца в Гааге и смог полностью посвятить себя исследованиям. У семьи был еще один дом недалеко от Хофвейка , и он проводил там время летом. Несмотря на то, что он был очень активным, его научная жизнь не позволяла ему избежать приступов депрессии.

Впоследствии у Гюйгенса появился широкий круг корреспондентов, хотя наладить связь после 1648 года помешала пятилетняя Фронда во Франции. Посетив Париж в 1655 году, Гюйгенс обратился к Исмаэлю Бульо , чтобы представиться, который отвел его к Клоду Милону . Парижская группа ученых, собравшаяся вокруг Мерсенна, держалась вместе до 1650-х годов, и Милон, взявший на себя роль секретаря, с тех пор прилагал некоторые усилия, чтобы поддерживать связь с Гюйгенсом. Через Пьера де Каркави Гюйгенс переписывался в 1656 году с Пьером де Ферма, которым он очень восхищался, несмотря на эту сторону идолопоклонства. Опыт был горько-сладким и несколько озадачивающим, поскольку стало ясно, что Ферма выпал из мейнстрима исследований, и его притязания на приоритет, вероятно, в некоторых случаях не могут быть подтверждены. Кроме того, Гюйгенс к тому времени стремился применить математику к физике, в то время как Ферма интересовался более чистыми вещами.

Научный дебют

Христиан Гюйгенс, рельеф работы Жан-Жака Клериона (ок. 1670 г.).

Как и некоторые из его современников, Гюйгенс часто не спешил публиковать свои результаты и открытия, предпочитая вместо этого распространять свою работу через письма. В первые годы его наставник Франс ван Шутен давал технические отзывы и был осторожен ради своей репутации.

Между 1651 и 1657 годами Гюйгенс опубликовал ряд работ, которые показали его талант к математике и его мастерство как в классической , так и в аналитической геометрии , что позволило ему увеличить свой охват и репутацию среди математиков. Примерно в то же время Гюйгенс начал подвергать сомнению законы столкновения Декарта , которые были в значительной степени неправильными, выводя правильные законы алгебраически и с помощью геометрии. Он показал, что для любой системы тел центр тяжести системы остается одним и тем же по скорости и направлению, что Гюйгенс называл сохранением «количества движения» . Его теория столкновений была самой близкой к идее силы из всех, кто до Ньютона подходил к идее силы . Эти результаты были известны из переписки и из короткой статьи в Journal des Sçavans , но в основном оставались неопубликованными до его смерти после публикации De Motu Corporum ex Percussione ( О движении сталкивающихся тел ).

В дополнение к своей работе по механике он сделал важные научные открытия, такие как идентификация спутника Сатурна Титана в 1655 году и изобретение маятниковых часов в 1657 году, оба из которых принесли ему известность по всей Европе. 3 мая 1661 года Гюйгенс наблюдал за прохождением планеты Меркурий по Солнцу, используя телескоп производителя инструментов Ричарда Рива в Лондоне вместе с астрономом Томасом Стритом и Ривом. Затем Стрит обсудил опубликованный отчет о транзите Гевелия , полемику, возникшую при посредничестве Генри Ольденбурга . Гюйгенс передал Гевелию рукопись Иеремии Хоррокса о прохождении Венеры в 1639 году, которая, таким образом, была впервые напечатана в 1662 году.

В том же году Гюйгенс, игравший на клавесине , заинтересовался музыкальными теориями Саймона Стевина ; однако он очень мало заботился о публикации своих теорий о созвучии , некоторые из которых были утеряны на века. За его вклад в науку Лондонское королевское общество избрало его членом в 1665 году, когда Гюйгенсу было всего 36 лет.

Франция

Гюйгенс, справа от центра, из L'établissement de l'Académie des Sciences et fundation de l'observatoire , 1666 г., автор Анри Тестлен (ок. 1675 г.).

Академия Монмора была формой, которую старый кружок Мерсенна принял после середины 1650-х годов. Гюйгенс принимал участие в его дебатах и ​​поддерживал его «диссидентскую» фракцию, которая выступала за экспериментальную демонстрацию, чтобы ограничить бесплодную дискуссию, и выступала против дилетантского отношения. В 1663 году он совершил свой третий визит в Париж; Академия Монмора закрылась, и Гюйгенс воспользовался случаем, чтобы защитить более бэконовскую программу в науке. Три года спустя, в 1666 году, он переехал в Париж по приглашению занять должность в новой Французской академии наук короля Людовика XIV .

Находясь в Париже, у Гюйгенса был важный покровитель и корреспондент в лице Жана-Батиста Кольбера , первого министра Людовика XIV. Однако его отношения с Академией не всегда были легкими, и в 1670 году Гюйгенс, тяжело больной, выбрал Фрэнсиса Вернона , чтобы передать свои бумаги в дар Королевскому обществу в Лондоне в случае его смерти. Последствия франко-голландской войны (1672–1678 гг.) И особенно роль Англии в ней могли повредить его отношениям с Королевским обществом. Роберту Гуку , как представителю Королевского общества, не хватило ловкости, чтобы справиться с ситуацией в 1673 году.

Физик и изобретатель Дени Папен был помощником Гюйгенса с 1671 года. Одним из их проектов, не принесших прямых плодов, был пороховой двигатель . Папен переехал в Англию в 1678 году, чтобы продолжить работу в этой области. Также в Париже Гюйгенс провел дальнейшие астрономические наблюдения, используя обсерваторию , построенную недавно в 1672 году. В 1678 году он познакомил Николааса Хартсокера с французскими учеными, такими как Николя Мальбранш и Джованни Кассини .

Гюйгенс познакомился с молодым дипломатом Готфридом Лейбницем, посетившим Париж в 1672 году с тщетной миссией встретиться с Арно де Помпонном , министром иностранных дел Франции. В это время Лейбниц работал над вычислительной машиной и в начале 1673 года вместе с дипломатами из Майнца переехал в Лондон . С марта 1673 г. Лейбниц обучался математике у Гюйгенса, который обучал его аналитической геометрии. Последовала обширная переписка, в которой Гюйгенс сначала проявил нежелание принимать преимущества исчисления бесконечно малых Лейбница .

Последние годы

Гюйгенс вернулся в Гаагу в 1681 году после очередного приступа серьезной депрессии. В 1684 году он опубликовал Astroscopia Compendiaria о своем новом беструбном воздушном телескопе . Он попытался вернуться во Францию ​​в 1685 году, но отмена Нантского эдикта помешала этому шагу. Его отец умер в 1687 году, и он унаследовал Хофвейк, который в следующем году сделал своим домом.

Во время своего третьего визита в Англию Гюйгенс лично встретился с Исааком Ньютоном 12 июня 1689 года. Они говорили об исландском шпате , а впоследствии переписывались о движении с сопротивлением.

Гюйгенс вернулся к математическим темам в последние годы своей жизни и в 1693 году наблюдал акустическое явление, известное теперь как фленджер . Два года спустя, 8 июля 1695 года, Гюйгенс умер в Гааге и был похоронен в безымянной могиле в Гроте Керк . был его отцом до него.

Гюйгенс никогда не был женат.

Математика

Гюйгенс впервые стал всемирно известен благодаря своей работе по математике, опубликовав ряд важных результатов, которые привлекли внимание многих европейских геометров. В своих опубликованных работах Гюйгенс предпочитал метод Архимеда, хотя в своих личных записных книжках он более широко использовал аналитическую геометрию Декарта и методы бесконечно малых величин Ферма .

Теоремы квадратуры

Первая публикация Гюйгенса была посвящена квадратуре .

Первой публикацией Гюйгенса была « Теорема о квадратуре гиперболы, эллипса и круга» ( «Теоремы о квадратуре гиперболы, эллипса и окружности »), опубликованная Эльзевирами в Лейдене в 1651 году. Первая часть работы была в области квадратур и содержала теоремы для вычисления площадей гипербол и эллипсов, которые аналогичны работе Архимеда о конических сечениях, в частности, его квадратуре параболы . Гюйгенс продемонстрировал, что центр тяжести сегмента гиперболы , эллипса или окружности напрямую связан с площадью этого сегмента. Таким образом, Гюйгенс смог распространить классические методы на все конические сечения, получив новые результаты.

Гюйгенс также включил опровержение утверждений Грегуара де Сен-Винсента о квадратуре круга, которые он ранее обсуждал с Мерсенном. Квадратура была актуальной проблемой в 1650-х годах, и через Майлона Гюйгенс вмешался в обсуждение математики Томаса Гоббса . Настойчиво пытаясь объяснить ошибки, в которые впал Гоббс, он приобрел международную репутацию.

De Circuli Magnitudine Inventa

Следующей публикацией Гюйгенса была De Circuli Magnitudine Inventa ( « Новые открытия в измерении круга »), опубликованная в 1654 году. В этой работе Гюйгенс смог сократить разрыв между описанными и вписанными многоугольниками, обнаруженными в « Измерении круга » Архимеда , показав, что отношение длины окружности к ее диаметру или π должно лежать в первой трети этого интервала.

Используя метод, эквивалентный экстраполяции Ричардсона , Гюйгенс смог сократить неравенства, используемые в методе Архимеда; в этом случае, используя центр тяжести сегмента параболы, он смог аппроксимировать центр тяжести сегмента круга, что привело к более быстрому и точному приближению квадратуры круга. Из этих теорем Гюйгенс получил два набора значений π : первое между 3,1415926 и 3,1415927, а второе между 3,1415926538 и 3,1415926533.

Гюйгенс также показал, что в случае гиперболы то же самое приближение с параболическими сегментами дает быстрый и простой метод вычисления логарифмов . Он приложил сборник решений классических задач в конце работы под названием Illustrium Quorundam Problematum Constructiones ( «Построение некоторых выдающихся задач» ).

De Ratiociniis в Ludo Aleae

Гюйгенс заинтересовался азартными играми после того, как посетил Париж в 1655 году и несколькими годами ранее познакомился с работами Ферма, Блеза Паскаля и Жирара Дезарга . В конце концов он опубликовал то, что в то время было наиболее последовательным изложением математического подхода к азартным играм, в De Ratiociniis in Ludo Aleae ( « О рассуждениях в азартных играх» ). Франс ван Шоотен перевел оригинальную голландскую рукопись на латынь и опубликовал ее в своем «Математическом упражнении » (1657 г.).

Работа содержит ранние теоретико-игровые идеи и касается, в частности, проблемы очков . Гюйгенс взял у Паскаля понятия «честной игры» и равноправного контракта (т. е. равное деление при равных шансах) и расширил аргументацию, создав нестандартную теорию ожидаемых значений.

В 1662 году сэр Роберт Морей прислал Гюйгенсу таблицу продолжительности жизни Джона Граунта , и со временем Гюйгенс и его брат Лодевийк поэкспериментировали с ожидаемой продолжительностью жизни .

Неопубликованная работа

Ранее Гюйгенс завершил рукопись в стиле « О плавающих телах » Архимеда под названием « De Iis quae Liquido Supernatant» ( « О частях, плавающих над водой » ). Он был написан около 1650 года и состоял из трех книг. Хотя он отправил законченную работу Франсу ван Шотену для получения отзыва, в конце концов он решил не публиковать ее и в какой-то момент предложил ее сжечь.

Сначала Гюйгенс повторно выводит результаты Архимеда об устойчивости сферы и параболоида, искусно используя принцип Торричелли (т. е. что тела в системе движутся, только если движется их центр тяжести). Затем он предлагает оригинальные решения для устойчивости плавающих конусов , параллелепипедов и цилиндров , в некоторых случаях через полный цикл вращения. Подход Гюйгенса предвосхитил принцип виртуальной работы , и он также был первым, кто осознал, что для однородных твердых тел их удельный вес и соотношение сторон являются основными параметрами гидростатической устойчивости .

Натурфилософия

Хофвейк , дом Христиана Гюйгенса с 1688 года.

Гюйгенс был ведущим европейским естествоиспытателем между Декартом и Ньютоном. Однако, в отличие от многих своих современников, Гюйгенс не имел вкуса к великим теоретическим или философским системам и обычно избегал заниматься метафизическими вопросами (если на него надавили, он придерживался картезианской и механической философии своего времени). Вместо этого Гюйгенс преуспел в расширении работы своих предшественников, таких как Галилей, для получения решений нерешенных физических проблем, которые поддавались математическому анализу. В частности, он искал объяснения, которые опирались на контакт между телами и избегали действия на расстоянии .

Вместе с Робертом Бойлем и Жаком Роо , Гюйгенс защищал экспериментально ориентированную корпускулярно-механическую натурфилософию в годы своего пребывания в Париже. Этот подход иногда называли «бэконовским», не будучи индуктивистским и не отождествляя себя со взглядами Фрэнсиса Бэкона в простодушной манере.

После своего первого визита в Англию в 1661 году и посещения собрания в Грешем-колледже, где он непосредственно узнал об экспериментах Бойля с воздушным насосом , Гюйгенс провел время в конце 1661 и начале 1662 года, воспроизводя эту работу. Это оказался долгий процесс, вынесший на поверхность экспериментальную проблему («аномальная приостановка») и теоретическую проблему ужасов vacui , и закончился в июле 1663 года, когда Гюйгенс стал членом Королевского общества. Было сказано, что Гюйгенс, наконец, принял взгляд Бойля на пустоту, в отличие от картезианского отрицания этого, а также что воспроизведение результатов Левиафана и Воздушного насоса зашло в тупик.

Влияние Ньютона на Джона Локка было опосредовано Гюйгенсом, который заверил Локка в правильности математики Ньютона, что привело к принятию Локком корпускулярно-механической физики.

Законы движения, удара и гравитации

Изображение из Гюйгенса, Oeuvres Complètes : метафора лодки легла в основу способа мышления об относительном движении и, таким образом, упростила теорию сталкивающихся тел.

Общий подход философов-механиков заключался в постулировании теорий того типа, который сейчас называется «контактным действием». Гюйгенс принял этот метод, но не без его трудностей и неудач. Лейбниц, его ученик в Париже, позже отказался от этой теории. Такое видение Вселенной сделало теорию столкновений центральной в физике. Материя в движении составляет вселенную, и только объяснения в этих терминах могут быть действительно понятными. Хотя на него повлиял картезианский подход, он был менее доктринерским. Он изучал упругие столкновения в 1650-х годах, но отложил публикацию более чем на десятилетие.

Гюйгенс довольно рано пришел к выводу, что законы Декарта для упругого столкновения двух тел должны быть неверны, и сформулировал правильные законы. Важным шагом было признание им галилеевской инвариантности задач. Затем потребовалось много лет, чтобы распространить его взгляды. Он лично передал их Уильяму Броункеру и Кристоферу Рену в Лондоне в 1661 году. То, что Спиноза писал о них Генриху Ольденбургу в 1666 году, то есть во время Второй англо-голландской войны , было охраняемо. Гюйгенс фактически разработал их в рукописи De Motu Corporum ex Percussione в период 1652–1656 годов. Война закончилась в 1667 году, и Гюйгенс объявил о своих результатах Королевскому обществу в 1668 году. Он опубликовал их в Journal des Sçavans в 1669 году.

Гюйгенс сформулировал то, что сейчас известно как второй из законов движения Ньютона, в квадратичной форме. В 1659 году он вывел теперь стандартную формулу для центростремительной силы , действующей на объект, описывающий круговое движение , например, струной, к которой он прикреплен. В современных обозначениях:

где m масса объекта , v скорость и r радиус . _ _ Публикация общей формулы этой силы в 1673 г. стала значительным шагом в изучении орбит в астрономии. Это позволило перейти от третьего закона движения планет Кеплера к закону обратных квадратов всемирного тяготения. Однако интерпретация работы Ньютона о гравитации Гюйгенсом отличалась от интерпретации таких ньютоновцев, как Роджер Котс ; он не настаивал на априорной позиции Декарта, но и не принимал те аспекты гравитационного притяжения, которые в принципе не объяснялись контактом частиц.

Подход, использованный Гюйгенсом, также упускал из виду некоторые центральные понятия математической физики, которые не были потеряны для других. Его работа о маятниках очень близко подошла к теории простого гармонического движения ; но эта тема впервые была полностью раскрыта Ньютоном в книге II его Principia Mathematica (1687 г.). В 1678 году Лейбниц выбрал из работы Гюйгенса о столкновениях идею закона сохранения , которую Гюйгенс оставил неявной.

часовое искусство

Маятниковые часы с пружинным приводом, спроектированные Гюйгенсом и построенные Саломоном Костером (1657 г.), с копией Horologium Oscillatorium (1673 г.) в музее Бурхааве , Лейден.

Гюйгенс разработал колебательные механизмы хронометража, которые с тех пор используются в механических часах , балансовую пружину и маятник , что привело к значительному повышению точности хронометража. В 1657 году, вдохновленный более ранними исследованиями маятников как регулирующих механизмов, Гюйгенс изобрел маятниковые часы, которые стали прорывом в хронометрии и стали самыми точными хронометристами на следующие 275 лет до 1930-х годов. Он поручил изготовление своих часов Саломону Костеру в Гааге, который построил часы. Маятниковые часы были гораздо более точными, чем существующие часы с гранями и листами , и сразу же стали популярными, быстро распространившись по Европе. Однако Гюйгенс не заработал много денег на своем изобретении. Пьер Сегье отказал ему в каких-либо французских правах, в то время как Симон Доу в Роттердаме и Артаксеркс Фромантил в Лондоне скопировали его дизайн в 1658 году. Самые старые известные маятниковые часы в стиле Гюйгенса датированы 1657 годом, и их можно увидеть в музее Бурхаве в Лейдене .

Одной из причин изобретения маятниковых часов было создание точного морского хронометра , который можно было бы использовать для определения долготы с помощью астрономической навигации во время морских путешествий. Однако часы оказались неудачными в качестве морского хронометриста, потому что качание корабля мешало движению маятника. В 1660 году Лодевийк Гюйгенс совершил испытание во время путешествия в Испанию и сообщил, что из-за плохой погоды часы бесполезны. В 1662 году на поле боя выступил Александр Брюс , и Гюйгенс призвал сэра Роберта Морея и Королевское общество выступить посредником и защитить некоторые из его прав. Судебные процессы продолжались до 1660-х годов, лучшие новости пришли от капитана Королевского флота Роберта Холмса , действовавшего против голландских владений в 1664 году. Лиза Джардин сомневается, что Холмс точно сообщил о результатах судебного разбирательства, поскольку в то время Сэмюэл Пепис выразил свои сомнения.

Плохо закончился суд над французской академией в экспедиции на Кайенну . Жан Рише предложил поправку на фигуру Земли . Ко времени экспедиции Голландской Ост-Индской компании в 1686 году на мыс Доброй Надежды Гюйгенс смог задним числом внести поправку.

Маятники

Диаграмма, показывающая эволюту кривой.

В 1673 году Гюйгенс опубликовал свою основную работу по маятникам и часовому делу под названием Horologium Oscillatorium: Sive de Motu Pendulorum ad Horologia Aptato Demonstrationes Geometricae («Маятниковые часы: или геометрические демонстрации движения маятника применительно к часам» ). Это первая современная работа, в которой физическая проблема идеализируется набором параметров, а затем анализируется математически.

Мотивация Гюйгенса исходила из наблюдения, сделанного Мерсенном и другими, что маятники не совсем изохронны : их период зависит от ширины их колебания, при этом широкие колебания занимают немного больше времени, чем узкие колебания. Он решил эту проблему, найдя кривую, по которой масса будет скользить под действием силы тяжести за одно и то же время, независимо от ее начальной точки; так называемая проблема таутохронии . Геометрическими методами, предвосхитившими исчисление , Гюйгенс показал, что это циклоида , а не дуга окружности качания маятника, и, следовательно, маятники должны двигаться по циклоидальному пути, чтобы быть изохронными. Математика, необходимая для решения этой проблемы, побудила Гюйгенса разработать свою теорию эволютов, которую он представил в части III своего Horologium Oscillatorium .

Он также решил задачу, поставленную ранее Мерсенном: как рассчитать период маятника, состоящего из качающегося твердого тела произвольной формы. Это включало обнаружение центра колебаний и его взаимосвязи с точкой поворота. В той же работе он проанализировал конический маятник , состоящий из груза на шнуре, движущегося по кругу, используя понятие центробежной силы .

Гюйгенс был первым, кто вывел формулу для периода идеального математического маятника (с безмассовым стержнем или шнуром и длиной, намного превышающей его качание), в современных обозначениях:

где T - период, l - длина маятника и g - ускорение свободного падения . Своим изучением периода колебаний составных маятников Гюйгенс внес решающий вклад в развитие концепции момента инерции .

Гюйгенс также наблюдал связанные колебания : двое его маятниковых часов, установленных рядом друг с другом на одной опоре, часто синхронизировались, качаясь в противоположных направлениях. Он сообщил о результатах письмом в Королевское общество, и в протоколах Общества это упоминается как « странное сочувствие ». Эта концепция теперь известна как увлечение .

Весенние часы Balance

Рисунок пружины баланса, изобретенной Гюйгенсом.

Гюйгенс разработал часы с балансирной пружиной одновременно с Робертом Гуком, хотя и независимо от него. Споры о приоритете продолжались веками. В феврале 2006 года давно утерянная копия рукописных заметок Гука о собраниях Королевского общества за несколько десятилетий была обнаружена в буфете в Хэмпшире , Англия, что, по-видимому, склоняет улики в пользу Гука.

В конструкции Гюйгенса использовалась спиральная пружина баланса, но изначально он использовал эту форму пружины только потому, что баланс в его первых часах вращался более чем на полтора оборота. Позже он использовал спиральные пружины в более традиционных часах, изготовленных для него Тюре в Париже примерно в 1675 году. Такие пружины необходимы в современных часах с отдельным рычажным спуском , поскольку их можно настроить на изохронность . Однако в часах времен Гюйгенса использовался очень неэффективный спусковой механизм грани . Это мешало изохронным свойствам любой формы пружины баланса, спирали или чего-либо еще.

В 1675 году Гюйгенс запатентовал карманные часы . Часы, изготовленные в Париже с ок. 1675 по конструкции Гюйгенса отличаются отсутствием предохранителя для выравнивания крутящего момента главной пружины. Подразумевается, что Гюйгенс думал, что его спиральная пружина будет изохронизировать баланс, точно так же, как он думал, что подвесные бордюры в форме циклоиды на его часах будут изохронизировать маятник.

Оптика

Преломление плоской волны, объясненное с использованием принципа Гюйгенса, как показано в Traité de la Lumière (1690).

В оптике Гюйгенс особенно запомнился своей волновой теорией света, которую он впервые представил в 1678 году в Академии наук в Париже. Его теория была опубликована в 1690 году под названием Traité de la Lumière ( « Трактат о свете »), которая содержит первое полностью математизированное механистическое объяснение ненаблюдаемого физического явления (т. е. распространения света). Гюйгенс ссылается на Игнаса-Гастона Пардиса , чья рукопись по оптике помогла ему в его волновой теории.

Гюйгенс предполагает, что скорость света конечна, как это было показано в эксперименте Оле Кристенсена Рёмера в 1679 году, но предполагается, что Гюйгенс уже верил в это. Задача в то время состояла в том, чтобы объяснить геометрическую оптику , поскольку большинство явлений физической оптики (таких как дифракция ) не наблюдались и не оценивались как проблемы. Теория Гюйгенса постулирует свет как излучающие волновые фронты , при этом общее понятие световых лучей изображает распространение, нормальное к этим волновым фронтам. Распространение волновых фронтов затем объясняется как результат излучения сферических волн в каждой точке вдоль фронта волны (известный сегодня как принцип Гюйгенса – Френеля). Он предполагал вездесущий эфир с передачей через совершенно упругие частицы, пересмотр взглядов Декарта. Таким образом, природа света была продольной волной .

В 1672 году Гюйгенс экспериментировал с двойным лучепреломлением ( двойным лучепреломлением ) в исландском шпате ( кальците ), явление, открытое в 1669 году Расмусом Бартолином . Сначала он не мог объяснить, что он обнаружил, но позже смог объяснить это, используя свою теорию волнового фронта и концепцию эволютов. Он также разработал идеи о каустике . Теория света Гюйгенса не получила широкого признания, в то время как конкурирующая корпускулярная теория света Ньютона, изложенная в его « Оптике » (1704 г.), получила большую поддержку. Одним из сильных возражений против теории Гюйгенса было то, что продольные волны имеют только одну поляризацию , которая не может объяснить наблюдаемое двойное лучепреломление. Однако интерференционные эксперименты Томаса Янга в 1801 году и обнаружение Франсуа Араго пятна Пуассона в 1819 году не могли быть объяснены с помощью теории Ньютона или любой другой теории частиц, что возродило идеи и волновые модели Гюйгенса. В 1821 году Френелю удалось объяснить двойное лучепреломление тем, что свет является не продольной (как предполагалось), а поперечной волной . Названный таким образом принцип Гюйгенса-Френеля был основой для развития физической оптики, объясняя все аспекты распространения света, пока электромагнитная теория Максвелла не завершилась развитием квантовой механики и открытием фотона .

Линзы

Гюйгенс изучал сферические линзы с теоретической точки зрения в 1652–1653 годах, получив результаты, которые оставались неизвестными до аналогичной работы Исаака Барроу (1669). Его целью было понять телескопы . Вместе со своим братом Константином Гюйгенс начал шлифовать свои собственные линзы в 1655 году, пытаясь улучшить телескопы. Он разработал в 1662 году то, что сейчас называется окуляром Гюйгена с двумя линзами, как окуляр телескопа. Линзы также были общим интересом, благодаря которому Гюйгенс мог встречаться в обществе в 1660-х годах с Барухом Спинозой , который профессионально их обосновывал. У них были довольно разные взгляды на науку, Спиноза был более убежденным картезианцем, и некоторые из их дискуссий сохранились в переписке. Он столкнулся с работой Антони ван Левенгука , другого шлифовальщика линз, в области микроскопии , которая интересовала его отца.

Гюйгенс также исследовал использование линз в проекторах. Ему приписывают изобретение волшебного фонаря , описанного в переписке 1659 года. Есть и другие, кому приписывалось такое устройство фонаря, например, Джамбаттиста делла Порта и Корнелис Дреббель , хотя в конструкции Гюйгенса использовалась линза для лучшей проекции ( Афанасий Кирхер ). также был зачислен за это).

астрономия

Кольца Сатурна и Титан

Объяснение Гюйгенсом аспектов Сатурна, Systema Saturnium (1659 г.).

В 1655 году Гюйгенс первым предположил, что кольца Сатурна представляют собой «тонкое плоское кольцо, нигде не соприкасающееся и наклоненное к эклиптике» . спутника Сатурна, Титана . В том же году он наблюдал и зарисовал туманность Ориона , его рисунок, первый известный из туманности Ориона, был опубликован в Systema Saturnium в 1659 г. Используя свой современный телескоп, ему удалось разделить туманность на части. в разные звезды. Более яркая внутренняя часть теперь носит название области Гюйгена в его честь. Он также открыл несколько межзвездных туманностей и несколько двойных звезд .

Марс и Большой Сирт

В 1659 году Гюйгенс первым наблюдал особенность поверхности на другой планете, Большом Сиртисе , вулканической равнине на Марсе . Он использовал повторные наблюдения за движением этой особенности в течение нескольких дней, чтобы оценить продолжительность дня на Марсе, что он сделал довольно точно, до 24 1/2 часов. Эта цифра всего на несколько минут отличается от фактической продолжительности марсианских суток в 24 часа 37 минут.

Планетарий

По наущению Жана-Батиста Кольбера Гюйгенс взял на себя задачу построить механический планетарий, который мог бы отображать все планеты и их луны, которые тогда были известны, вращаясь вокруг Солнца. Гюйгенс завершил свой проект в 1680 году, а в следующем году его построил часовщик Йоханнес ван Сеулен. Однако Кольбер тем временем скончался, и Гюйгенс так и не смог доставить свой планетарий Французской академии наук , поскольку новый министр Фрасуа-Мишель ле Телье решил не продлевать контракт Гюйгенса.

В своей конструкции Гюйгенс изобретательно использовал непрерывные дроби , чтобы найти наилучшие рациональные приближения, с помощью которых он мог выбрать шестерни с правильным числом зубьев. Соотношение между двумя шестернями определяло периоды обращения двух планет. Чтобы вращать планеты вокруг Солнца, Гюйгенс использовал часовой механизм, который мог идти вперед и назад во времени. Гюйгенс утверждал, что его планетарий был более точным, чем аналогичное устройство, построенное Оле Рёмером примерно в то же время, но его проект планетария не был опубликован до его смерти в Opuscula Posthuma (1703 г.).

Космотеорос

Телескоп Гюйгенса без трубы из Astroscopia Compendiaria tubi optici molimine liberata (1684 г.).

Незадолго до своей смерти в 1695 году Гюйгенс завершил «Космотеор » . По его указанию он должен был быть опубликован только посмертно его братом, что Константин-младший и сделал в 1698 году. В нем он размышлял о существовании внеземной жизни на других планетах, которые, по его мнению, были похожи на земные. Такие предположения не были редкостью в то время, оправдываемые коперниканством или принципом полноты . Но Гюйгенс углубился в детали, хотя и без понимания ньютоновских законов тяготения или того факта, что атмосферы на других планетах состоят из других газов. Работа, переведенная на английский язык в год ее публикации и озаглавленная «Обнаруженные небесные миры », считается принадлежащей причудливой традиции Фрэнсиса Годвина , Джона Уилкинса и Сирано де Бержерака и в основе своей утопической ; а также обязан своей концепцией планеты космографии в смысле Питера Хейлина .

Гюйгенс писал, что наличие воды в жидкой форме необходимо для жизни и что свойства воды должны варьироваться от планеты к планете, чтобы соответствовать температурному диапазону. Он принял свои наблюдения темных и ярких пятен на поверхности Марса и Юпитера за свидетельство наличия воды и льда на этих планетах. Он утверждал, что внеземная жизнь не подтверждается и не отрицается Библией, и задавался вопросом, почему Бог создал другие планеты, если они не должны служить более высокой цели, чем восхищение с Земли. Гюйгенс постулировал, что большое расстояние между планетами означает, что Бог не намеревался, чтобы существа на одной знали о существах на других, и не предвидел, насколько люди продвинутся в научных знаниях.

Также в этой книге Гюйгенс опубликовал свой метод оценки звездных расстояний . Он сделал ряд меньших отверстий в экране, обращенном к Солнцу, пока не оценил, что свет имеет ту же интенсивность, что и свет звезды Сириус . Затем он подсчитал, что угол этой дыры составлял 1/27 664 диаметра Солнца, и, таким образом, он был примерно в 30 000 раз дальше, исходя из (неверного) предположения, что Сириус светит так же, как Солнце. Тема фотометрии оставалась в зачаточном состоянии до времен Пьера Бугера и Иоганна Генриха Ламберта .

Наследие

Портрет Христиана Гюйгенса работы Бернара Вайана (1686 г.).

При жизни влияние Гюйгенса было огромным, но вскоре после его смерти оно начало исчезать. Его навыки геометра и его понимание механики вызывали восхищение у многих его современников, включая Ньютона, Лейбница, Лопиталя и Бернулли . За свою работу в области физики Гюйгенс считался одним из величайших ученых в истории и видной фигурой в научной революции, уступая только Ньютону как по глубине понимания, так и по количеству полученных результатов.

Математика и физика

В математике Гюйгенс овладел методами древнегреческой геометрии , особенно работами Архимеда, и был искусным пользователем аналитической геометрии и методов бесконечно малых Декарта, Ферма и других. Его математический стиль можно охарактеризовать как геометрический бесконечно малый анализ кривых и движения. Он черпал вдохновение и образы из механики, оставаясь чистой математикой по форме. Гюйгенс довел этот тип геометрического анализа до его наибольшей высоты, но также и до его завершения, поскольку все больше математиков обращались от классической геометрии к исчислению для обработки бесконечно малых, предельных процессов и движения.

Кроме того, Гюйгенс был одним из первых, кто полностью использовал математику для ответа на вопросы физики. Часто это влекло за собой введение простой модели для описания сложной ситуации, затем ее анализ, начиная с простых аргументов до их логических следствий, попутно развивая необходимую математику. Как он написал в конце черновика De vi Centrifuga :

Что бы вы ни предположили невозможным ни в отношении силы тяжести, ни в движении, ни в какой-либо другой материи, если затем вы докажете что-нибудь относительно величины линии, поверхности или тела, это будет истинным; как, например, Архимеда о квадратуре параболы , где предполагалось, что тенденция тяжелых тел действует через параллельные линии.

Гюйгенс предпочитал аксиоматическое изложение своих результатов, требовавшее строгих методов геометрического доказательства; хотя при выборе основных аксиом и используемых гипотез он допускал уровни неопределенности, доказательство теорем, вытекающих из них, никогда не могло вызывать сомнений. Его опубликованные работы считались точными, кристально чистыми и элегантными и оказали большое влияние на представление Ньютоном его собственной крупной работы .

Помимо применения математики к физике и физики к математике, Гюйгенс полагался на математику как на методологию, особенно на ее предсказательную силу для получения новых знаний о мире. В отличие от Галилея, который использовал математику прежде всего как риторику или синтез, Гюйгенс последовательно использовал математику как метод открытия и анализа, и кумулятивный эффект его весьма успешного подхода создал норму для ученых восемнадцатого века, таких как Иоганн Бернулли .

Хотя Гюйгенс никогда не предназначался для публикации, он использовал алгебраические выражения для представления физических объектов в нескольких своих рукописях о столкновениях. Это сделало бы его одним из первых, кто использовал математические формулы для описания отношений в физике, как это делается сегодня.

Позднее влияние

Очень своеобразный стиль Гюйгенса и его нежелание публиковать свои работы значительно уменьшили его влияние после научной революции, когда сторонники исчисления Лейбница и физики Ньютона заняли центральное место.

Его анализ кривых, удовлетворяющих определенным физическим свойствам, таких как циклоида , привел к более поздним исследованиям многих других таких кривых, таких как каустика, брахистохрона , кривая паруса и цепная связь. Его применение математики к физике, например, в его анализе двойного лучепреломления, вдохновит на новые разработки в математической физике и рациональной механике в следующем столетии (хотя и на языке исчисления). Кроме того, его маятниковые часы были первыми надежными хронометрами, пригодными для научного использования , послужив примером для других работ в области прикладной математики и машиностроения в годы после его смерти.

Портреты

При жизни Гюйгенс и его отец заказали несколько портретов. К ним относятся:

Памяти

Ряд памятников Христиану Гюйгенсу можно найти в важных городах Нидерландов, включая Роттердам , Делфт и Лейден .

Работает

Переписка

Источник(и):

  • 1650 — De Iis Quae Liquido Supernatant ( О частях над водой , неопубликовано).
  • 1651 г. - Теорема квадратурных гипербол, эллипсисов и кругов , переизданная в Oeuvres Complètes , Том XI.
  • 1654 г. - De Circuli Magnitudine Inventa.
  • 1655 г. – Часовщик ( Часы – короткая брошюра о маятниковых часах).
  • 1656 г. - Epistola, qua diluuntur ea quibus 'Εξέτασις [Exetasis] Cyclometriae Gregori à Sto. Vincentio impugnata fuit.
  • 1656 — De Saturni Luna Observatio Nova ( О новом наблюдении спутника Сатурна открытии Титана ).
  • 1656 — De Motu Corporum ex Percussione , опубликовано посмертно в 1703 году.
  • 1657 — De Ratiociniis in Ludo Aleae ( Van reeckening in spelen van geluck , переведенный на латынь Франсом ван Шотеном).
  • 1659 — Systema Saturnium ( Система Сатурна ).
  • 1659 — De vi Centrifuga ( «О центробежной силе »), опубликованная в 1703 году.
  • 1673 г. - Horologium Oscillatorium Sive de Motu Pendulorum ad Horologia Aptato Demonstrationes Geometricae (включает его теорию эволюции и конструкции маятниковых часов, посвященные Людовику XIV во Франции).
  • 1684 — Astroscopia Compendiaria Tubi Optici Molimine Liberata ( Составные телескопы без трубки ).
  • 1685 г. - Memoriën aengaende het slijpen van glasen tot verrekijckers (занимающийся шлифовкой линз).
  • 1686 г. - древнеголландский : Kort onderwijs aengaende het gebruijck der horologiën tot het vinden der lenghten van Oost en West (инструкции по использованию часов для определения долготы в море).
  • 1690 - Traité de la Lumière (перевод Сильвануса П. Томпсона).
  • 1690 — Discours de la Cause de la Pesanteur ( Рассуждение о гравитации , с 1669?).
  • 1691 - Lettre Touchant le Cycle Harmonique (Роттердам, о 31-тоновой системе ).
  • 1698 г. - Космотеорос (солнечная система, космология, жизнь во Вселенной).
  • 1703 г. - Opuscula Posthuma, в том числе:
    • De Motu Corporum ex Percussione ( О движении сталкивающихся тел - содержит первые правильные законы столкновения, датированные 1656 годом).
    • Descriptio Automati Planetarii (описание и конструкция планетария ).
  • 1724 г. - Novus Cyclus Harmonicus (трактат о музыке, изданный в Лейдене после смерти Гюйгенса).
  • 1728 - Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii Toparchae, Opuscula Posthuma ... (паб. 1728 г.) Альтернативное название: Opera Reliqua , посвященное оптике и физике .
  • 1888–1950 - Гюйгенс, Кристиан. Сочинения завершены. Полное собрание сочинений, 22 тома. Редакторы Д. Биренс де Хаан (том = деэль 1–5), Дж. Босша (6–10), Д. Д. Кортевег (11–15), А. А. Нийланд (15), Дж. А. Фоллграф (16–22). Гаага:
Том I: Переписка 1638–1656 (1888).
Том II: Переписка 1657–1659 (1889).
Том III: Переписка 1660–1661 (1890).
Том IV: Переписка 1662–1663 (1891).
Том V: Переписка 1664–1665 (1893 г.).
Том VI: Переписка 1666–1669 (1895).
Том VII: Переписка 1670–1675 (1897).
Том VIII: Переписка 1676–1684 (1899).
Том IX: Переписка 1685–1690 (1901).
Том X: Переписка 1691–1695 (1905).
Том XI: Математические исследования 1645–1651 (1908).
Том XII: Чистые математические исследования 1652–1656 (1910).
Том XIII, Fasc. I: Dioptrique 1653, 1666 (1916).
Том XIII, Fasc. II: Dioptrique 1685–1692 (1916).
Том XIV: Расчет вероятностей. Travaux de mathématiques pures 1655–1666 (1920).
Том XV: Астрономические наблюдения. Система де Сатурн. Travaux astronomiques 1658–1666 (1925).
Том XVI: Mécanique jusqu'à 1666. Перкуссия. Вопрос существования и восприятия абсолютного движения. Силовая центрифуга (1929 г.).
Том XVII: L'horloge à pendule с 1651 по 1666 год. Travaux divers de physique, de mecanique et de Technic с 1650 по 1666 год. Traité des couronnes et des parhélies (1662 или 1663) (1932).
Том XVIII: L'horloge à pendule ou à balancier de 1666 à 1695. Анекдота (1934).
Том XIX: Mécanique théorique et physique de 1666 à 1695 . Huygens à l'Académie royale des Sciences (1937).
Том XX: Музыка и математика. Музыка. Mathématiques de 1666 à 1695 (1940).
Том XXI: Космология (1944).
Том XXII: Дополнение к переписке. Варя. Биография Chr. Гюйгенс. Каталог де-ла-венте де livres де Chr. Гюйгенс (1950).

Смотрите также

Примечания

дальнейшее чтение

  • Андрис, компакт-диск (2005). Гюйгенс: человек, стоящий за принципом . Предисловие Салли Миедема. Издательство Кембриджского университета .
  • Белл, А. Е. (1947). Христиан Гюйгенс и развитие науки в семнадцатом веке
  • Бойер, CB (1968). История математики , Нью-Йорк.
  • Дейкстерхус, Э. Дж . (1961) . Механизация картины мира: от Пифагора до Ньютона.
  • Хооймайерс, Х. (2005). Определение времени – Устройства для измерения времени в музее Бурхааве – Описательный каталог , Лейден, Музей Бурхааве.
  • Струик, ди-джей (1948). Краткая история математики
  • Ван ден Энде, Х. и др. (2004). Наследие Гюйгенса, Золотой век маятниковых часов , Fromanteel Ltd, Замковый город, остров Мэн.
  • Йодер, Дж. Г. (2005 г.) «Книга о маятниковых часах» в Ivor Grattan-Guinness , изд., Landmark Writings in Western Mathematics . Эльзевир: 33–45.

внешние ссылки

Первоисточники, переводы

Музеи

Другой