克里斯蒂安·惠更斯(Christian Huygens,1629年4月14日-1695年7月8日)出生于荷蘭海牙,荷蘭數學家、天文學家、物理學家。
1645年5月,惠更斯進入萊頓大學學習法律和數學。兩年之后他又進了布雷達新創建的奧蘭治學院,繼續攻讀法學兩年,而在課余仍堅持自習數學。1651年,惠更斯寫成《雙曲線、橢圓和圓的求積定理》。1652年,他將彈性碰撞的規律公式化,并開始幾何光學的學習。不久后,惠更斯對太空產生了興趣,研制出望遠鏡透鏡。1655年3月,他利用自制的望遠鏡發現土星的行星土衛六,改良了望遠鏡后,發現土星的圓環。1656年,造出了人類歷史上第一架擺鐘,并將制成的第一臺“有擺落地座鐘”獻給了荷蘭政府,這臺鐘的問世標志著人類進入了一個新的計時時代。1657年,惠更斯發表關于概率問題的論文《論賭博中的計算》。1663年,當選為英國皇家科學院會員。1666年,應邀來到巴黎科學院以后,開始了對物理光學的研究。1670年初,他生了一場嚴重的疾病,同年9月,基本痊愈并前往海牙,于1671年6月回到巴黎。1673年,惠更斯與法國物理學家丹尼斯·帕平(Dennis Paping)合作,建造了一個內燃機。同年開始了關于簡諧振動的研究,并設計出由彈簧而非鐘擺來校準時間的鐘表。1677年,使用了顯微鏡進行研究。1678年,發表了《論光》,宣布了他在1676-1677年發展出來的光的波動理論(嚴格地說是光的脈沖理論)。1681年,惠更斯的病情加重,辭去在科學院的職位,回家鄉海牙休養。1690年,提出了光的波動說,建立了惠更斯原理,在此基礎上推導出了光的反射和折射定律,同時還解釋光進入方解石晶體時所產生的雙折射現象。1695年7月8日,惠更斯在故鄉海牙逝世。1698年,他的著作《宇宙觀覽者或猜測中的天上世界》在荷蘭海牙出版。
在數學領域,惠更斯是概率論學科的奠基者之一,創立了“惠更斯分析法”,第一次把概率論建立在公理、命題和問題上而構成一個較完整的理論體系。在物理領域,惠更斯提出了惠更斯原理,后來,奧古斯丁·菲涅耳(Augustin Jean Fresnel)基于光的干涉原理,對惠更斯原理進行補充,提出了惠更斯——菲涅耳原理。?;莞乖斐鋈祟悮v史上第一架擺鐘,給出關于“離心力”的基本命題,還提出重力由以太壓力產生,地球上的每一個質點都受到趨向于地球物質重力中心的推力。在天文領域,惠更斯磨制了透鏡,改進了望遠鏡,發現了土星的衛星土衛六,還觀測到了獵戶座大星云、火星極冠等。?;莞故墙橛谫だ耘c牛頓之間一位物理學先驅,是近代自然科學的一位重要開拓者。
人物生平
早年生活
惠更斯于1629年4月14日出生于荷蘭海牙?;莞沟母赣H康士旦丁·惠更斯(Constantine Huygens)出身于貴族,是一位詩人和外交家。他的荷蘭語和拉丁語詩作揚名全國,在荷蘭文學史上占有重要地位。他熱心贊助藝術事業。家中有各個領域中人士來訪,包括當時英國詩人約翰·多恩(John Donne)等,還有哲學家和數學家勒內·笛卡爾(René Descartes),于是惠更斯就有許多機會接觸這些數學、物理、哲學、藝術等各領域的學者。
母親蘇珊娜(Susanna)來自南方巴爾城,是一富商的女兒?;莞沟淖娓敢苍鵀閵W蘭治王室成員服務多年,他重視子孫在文學、藝術、外語和自然科學方面的素養以及政治與外交才能的教育與培養?;莞乖?歲時喪母,此后家務全由姑母操持?;莞古c比他大一歲的胞兄小康士旦丁一同接受家教,由父親和一兩位家庭教師分工授以拉丁、希臘、法、意四種外語,以及算術、邏輯、地理、音樂等課程。13歲時,惠更斯自制一臺車床,其父見到惠更斯有數學天資,動手能力強,常在客人面前聲稱他是“我的阿基米德兒子”。14歲時又跟斯坦倍恩(Steinbeien)先生學習數學。除此而外,他還學習和操作一些新的實用技術。
求學經歷
1645年5月,惠更斯進入萊頓大學學習法律和數學。兩年之后他又進了布雷達新創建的奧蘭治學院,繼續攻讀法學兩年,而在課余仍堅持自習數學。到了1649年秋,他得到一次機會,作為荷蘭使團中的一員走訪丹麥,初次體驗到實際的外交工作。
1650年,一個關于流體靜力學的手稿已經完成。1651年,惠更斯寫成《雙曲線、橢圓和圓的求積定理》,對圣文森特的格里高利(Gregory of St. Vincent)的圓求積進行反駁。1652年,惠更斯將彈性碰撞的規律公式化,并開始幾何光學的學習。1654年,又發表了《圓大小的發現》。在接下來的歲月中,惠更斯研究了求拋物線長度,求拋物線旋轉面的面積,許多曲線如蔓葉線、擺線和對數曲線的切線和面積問題。
研究經歷
1655年,惠更斯獲法學博士學位,隨即訪問巴黎,在那里開始了他重要的科學生涯。他在巴黎憑借父親的名氣、財產,以及他本人的氣質,便輕易地進入上層社會圈中。
惠更斯為了研究太空,把大量的精力放在研制和改進光學儀器上,并成功地設計和磨制出了高精度和高放大度的望遠鏡透鏡。1655年,他通過改進后的望遠鏡首次發現土星除環外還存在一顆衛星,即土星的最大衛星土衛六(發現日期為1655年3月25日)。次年(1656年),他進一步確認獵戶星座中的星云由恒星組成。1656年,惠更斯造出了人類歷史上第一架擺鐘,并將制成的第一臺“有擺落地座鐘”獻給了荷蘭政府,這臺鐘的問世標志著人類進入了一個新的計時時代。1657年,惠更斯取得了擺鐘的專利,同年,發表關于概率問題的論文《論賭博中的計算》。1658年,出版《鐘表論》一書,對擺鐘的結構作了說明。
1660年,惠更斯第二次訪問巴黎時,他又與早已在通信討論數學問題中相知的帕斯卡面晤,多次交談。1661年,惠更斯趕到英國參加皇家科學院的成立儀式,他向英國科學家們演示了自制的望遠鏡,大家都為之驚嘆不已。1663年,惠更斯當選為英國皇家科學院會員。1666年,惠更斯應邀來到巴黎科學院以后,開始了對物理光學的研究。作為法國皇家科學院卓越的會員之一,惠更斯獲得了很高的薪俸,并居住在法國國家圖書館的一套房間中,直到1681年。1668年,他開始在理論上和實驗上,研究了阻力介質中的物體運動。1669年,惠更斯闡述了他的重力起因理論。
晚年生活
1670年初,惠更斯生了一場嚴重的疾病,同年9月,他基本痊愈并前往海牙,于1671年6月回到巴黎。1672年,尼德蘭聯省共和國與路易十四及其同盟者之間爆發了戰爭。奧蘭治的威廉三世(William III)上臺,惠更斯的父親和哥哥繼承了荷蘭的重要位置,而惠更斯留在巴黎,繼續他在學會的工作。1673年,惠更斯與法國物理學家丹尼斯·帕平(Dennis Paping)合作,建造了一個內燃機。同時開始了關于簡諧振動的研究,并設計出由彈簧而非鐘擺來校準時間的鐘表。接著,就發生了他與胡克(Hooke)的優先權之爭。同年他發表了《論擺鐘》,并把它獻給了法國國王,這一舉動加強了惠更斯在巴黎的地位,但在荷蘭引起了一些反對。
1675年秋,他舊病復發,從1676年7月到1678年6月惠更斯再次前往海牙。1677年,惠更斯使用了顯微鏡進行研究。1678年,發表了《論光》,宣布了他在1676-1677年發展出來的光的波動理論(嚴格地說是光的脈沖理論)。又一次因為疾病,惠更斯于1681年離開巴黎。1683年痊愈后,由于政治原因,決定留在荷蘭?;莞箯奈唇Y婚,在海牙以及在靠近福爾堡附近的家庭鄉村別墅的相對孤寂的狀態中,他繼續光學研究,建造了許多鐘表,并試用于幾次長距離航海中,他還寫下了《被發現的天上的世界》。1689年6月到9月,他訪問英格蘭,在那里遇到了艾薩克·牛頓(Isaac Newton)。牛頓的理論引起了惠更斯的仰慕之情但也激起了他強烈的分歧。
1687年惠更斯的父親病逝,他自己的病情也已日漸嚴重。他在最后五年歲月中精神上全被孤獨感和悲傷所控制,最終在1695年7月8日逝世,享年67歲。
1698年,惠更斯的最后一部著作《宇宙觀覽者或猜測中的天上世界》在海牙出版,這部書在惠更斯死后才出版,是一部關于其它行星上的居民的猜測性或科學幻想性的著作,
主要成果
數學領域
概率論
惠更斯分析法
惠更斯是概率論學科的奠基者之一,他在1657年出版的《論賭博中的計算》一書是第一部概率論著作,該書首次提出數學期望的概念,創立了“惠更斯分析法”,第一次把概率論建立在公理、命題和問題上而構成一個較完整的理論體系,標志著概率論的誕生。
幾何學
惠更斯在幾何數學上也取得了成就。例如面積和體積的確定,以及由古希臘數學家帕普斯(Pappus)的工作所啟發的代數問題。后來惠更斯研究了拋物線求長、求拋物線旋轉面的面積、許多曲線如蔓葉線、擺線(與帕斯卡在1658年公開提出的一個問題有聯系)和對數曲線的切線和面積問題。
物理領域
光學
惠更斯原理
惠更斯認為,光是一種機械波。光波是一種靠物質載體來傳播的縱向波(光波是縱波的觀點這里是錯誤的),傳播它的物質載體是“以太”,波面上的各點本身就是引起媒質振動的波源。例如,水面上有一任意波動傳播(圖1),在前進中遇到一個障礙物AB,AB上有一小孔O,小孔的孔徑a比波長λ小。這樣可以看到,穿過小孔的波是圓形的波,與原來波的形狀無關,這說明小孔可以看做是一個新的波源.。
惠更斯總結了上述現象,于1690年提出,介質中波動傳播的各點,都可以看做是發射子波的波源,在其后的任一時刻,這些子波的包絡面就是新的波陣面,這就是惠更斯原理?;莞乖韺θ魏尾▌舆^程都是適用的,只要知道某一時刻的波陣面,便可根據這一原理用幾何方法來決定次一時刻的波陣面,因而在很廣泛的范圍內解決了波的傳播問題。
在此原理基礎上,惠更斯推導出了光的反射和折射定律,圓滿解釋了光速在光密介質中減小的原因,同時還解釋了光進入方解石晶體時所產生的雙折射現象,認為這是由于冰洲石分子微粒為橢圓形所致,同時還發現了光的偏振現象。?;莞乖硎墙鈱W的重要基本理論,為后來光學的發展奠定了基礎。
惠更斯-菲涅耳原理
奧古斯丁·菲涅耳(Augustin Jean Fresnel)基于光的干涉原理,考慮到子波來自同一個光源,它們應該是相干的,因而波前外任意一點的光振動應該是波前上所有子波相干疊加的結果。這種用“子波相干疊加”思想補充的惠更斯原理稱為惠更斯-菲涅耳原理。
力學
擺的研究和應用
1656年,惠更斯在總結伽利略·伽利萊對擺的研究后,提出了秒擺周期公式,造出人類歷史上第一架擺鐘。這臺擺鐘用下垂的重力作為驅動力,經過多個齒輪傳動向單擺施以周期性、瞬時的沖力,使擺錘不因為空氣阻力和摩擦力而停止擺動,同時擺的等時運動又調節著擺錘的下降和指針的運動?;莞箤⒅瞥傻牡谝慌_“有擺落地大座鐘”獻給了荷蘭政府,1658年,惠更斯在《時鐘》一書中向世界宣布了這一發明,這臺鐘的問世,標志著人類進入了一個新的計時時代。
惠更斯在他的《擺鐘論》中還給出了他關于所謂的“離心力”的基本命題,他提出:一個作圓周運動的物體具有飛離中心的傾向,它向中心施加的離心力與速度的平方成正比,與運動半徑成反比,這也是他對伽利略·伽利萊擺動學說的擴充。
惠更斯在1673年出版的《擺動的時鐘》一書中,以對鐘擺擺動所作出的數學解釋來支持自己的實際研究結果。該書包括了很多的其他動態解釋,并預測了牛頓的第一運動定律,即“牛頓第一運動定律”,它闡明的是:沿直線運動的物體將以這一方式無限地繼續運動下去,直至遇到另一個力為止。
重力
惠更斯在他的《論重力的起因》里,假設重力由以太壓力產生,地球上的每一個質點都受到趨向于地球物質重力中心的推力,推力的大小與質點到該中心的距離平方成反比,并且發現地球的極半徑要比赤道半徑短后者的1/578。該理論為離心力的出現做了鋪墊。惠更斯認為不應把重力看作是物體的一種屬性或傾向,而應當象對待任何其他自然過程一樣,并指出往把重力的作用是物體的固有性質。
天文領域
望遠鏡
惠更斯把大量的精力放在了研制和改進光學儀器上,他設計制造的光學和天文儀器精巧,磨制了透鏡,改進了望遠鏡(用它發現了土星光環等),還有幾十米長的“空中望遠鏡”(無管、長焦距、可消色差)、展示星空的“行星機器”(即今天文館雛形)等。
觀測
土星的發現
1655年,惠更斯利用改良的望遠鏡對土星進行觀察,發現土星的奇怪外觀是因為它為一個薄薄的平面圓環所包圍,圓環與其黃道相傾斜。后來惠更斯又發現了土星的衛星土衛六,并且還觀測到了獵戶座大星云、火星極冠等。1659年,惠更斯他發表了《土星系》,書中描述了他的發現,確定了光環的位置,并解釋了它忽隱忽現的現象。
宇宙的本源
惠更斯晚年開始思考宇宙的本源。他的思想在著作《宇宙觀覽者》(全名《宇宙觀覽者或猜測中的天上世界》)中表達出來。整部書中,最引人注目的便是惠更斯對其他行星上居民思維的猜測:。這部著作發行后,廣受讀者好評。而在現實科研中,科學家們整整花了300多年,才找到了在地球以外還有其他生命體存在的可能性。
主要論著
主要著作
主要論文
相關評價
學者張福明評道:“克里斯蒂安·惠更斯是繼伽利略·伽利萊之后一位重要的物理學先驅,是科學發展史上著名的物理學家之一。他對力學的發展和光學的研究都有杰出的貢獻,在數學和天文學方面也有卓越的成就,是近代自然科學的一位重要開拓者。”
獲得榮譽
人物關系
學術碰撞
艾薩克·牛頓認為光是由微小的微粒組成,而惠更斯堅定認為光的本質是一種波動體系,于是兩人展開了一場爭辯。惠更斯認為牛頓的研究經過精心策劃,目的是推翻波動說。就色光特別是白光的組成問題,提出反對意見。在回應中,牛頓指出,白光并非只含黃、藍兩種色光,而是光譜中所有色光合成的產物。對被迫再次進行辯解,出于對惠更斯的尊敬,艾薩克·牛頓竭力按捺住了憤懣情緒。
后世紀念
惠更斯郵票
1695年,荷蘭發行了紀念惠更斯的郵票。
惠更斯號探測器
歐洲航天局以惠更斯的姓氏命名了一個太空探測器來紀念他發現土衛六?;莞固柼綔y器于2005年登陸土衛六,它由美國的卡西尼號航天器運載和釋放。
參考資料 >