享誉国际的荷兰物理学家——惠更斯

张晓森 王 兵

(安徽理工大学力物学院,安徽 淮南 232001)

1 教育背景

克里斯蒂亚安·惠更斯出身于荷兰的一个富裕而显赫的家庭，他的父亲康斯坦丁·惠更斯是一位热爱自然哲学的外交官，与英国各界联系密切，并定期与默森通信，他还是笛卡尔的挚友，对惠更斯将来跻身于那个时代的一流科学家行列有着重要影响。惠更斯16岁以前在家接受私人教师的教育，他学习了几何学，早年就表现出对机械的爱好、绘画和数学天赋。他早期在几何学方面的工作给偶尔造访的笛卡尔留下了深刻的印象，他的数学研究受到了笛卡尔的影响。

1645年至1647年惠更斯在莱顿大学学习法律和数学，1647年到1649年他在布雷达的奥兰治学院继续学习。通过他父亲与默森的关系，惠更斯和默森之间的通信大约从这个时候开始，他们探讨了很多数学问题。当时学术界正处于对笛卡尔哲学的激烈争论之中，虽然惠更斯后来摒弃了笛卡尔的某些理论，但他赞同机械解释在科学理论中是必需的，这对他在光和引力的研究产生了重要影响。

2 游历欧洲

1649年惠更斯随荷兰外交使团前往丹麦，他原本希望继续前往斯德哥尔摩去拜访德高望重的笛卡尔，但天气原因阻碍了他的瑞典之旅。惠更斯在1651年和1654年的第一批出版物涉及一些数学问题，1651年出版的《双曲线、椭圆和圆的求积定理》指出了圣文森特的格雷戈里的方法的错误，1654年的《圆大小的发现》也是后续类似研究的成果，在接下来的岁月中，他对各种平面曲线如悬链线、曳物线、对数螺线等都进行过研究。

后来他将注意力转向透镜研磨和望远镜制作，他提出了一种新的研磨和抛光镜片的方法。1655年惠更斯用自己研磨的透镜制作望远镜，观测到了土星的一颗卫星，同年惠更斯第一次来到巴黎，由于他那高贵的出身、富裕的家境和和蔼可亲的态度，使其很快融入当时巴黎知识分子和社会名流的圈子。他向包括布利奥在内的巴黎数学家交流了他的研究发现，惠更斯在帕斯卡尔和费马之间的通信中了解到概率方面的工作，回国后很快发表了一篇关于概率论的短文——《论赌博中的计算》。

1656年惠更斯发现了土星环的真实形状，当时包括罗伯瓦尔和布利奥等很多学者对此有不同的看法。布利奥表示未能探测到土星的卫星土卫六，惠更斯意识到他可能使用的是较差的望远镜。1659年在《土星系统》一文中，惠更斯解释了土星环的形状和变化，当时人们都质疑他的理论和观察。1665年人们利用改进的望远镜证实了惠更斯的观测结果，包括法布里在内的很多学者都接受了他的理论。

天文学研究需要精确的计时，这促使惠更斯解决这个问题。1656年他申请了第一个摆钟的专利，这大大提高了时间测量的精度。1673年惠更斯在《钟摆运动理论》一文中，总结了钟摆的运动规律，杰出的工作中包含曲率的数学理论，他完整地推导出了单摆振动的动力学公式，他还推导了匀速圆周运动的离心力定律。

惠更斯于1660年回到巴黎，参加了那里举办的各种科学协会的会议，在这些协会中，他遇到了许多数学家，包括罗伯瓦尔、卡卡维、帕斯卡、皮埃尔·佩蒂特、德萨格和索比埃。

1661年惠更斯访问了伦敦，特别是为了了解英国皇家学会。沃里斯和其他英国科学家给他留下了深刻的印象，从这一天起，他深入与英国学者接触交流。他向英国科学家展示了他的望远镜，事实证明他的望远镜比在英国使用的望远镜更胜一筹，约克公爵等人利用惠更斯的望远镜观测了月球和土星。在伦敦惠更斯看到了博伊尔的真空泵，这给他留下了深刻的印象，回到海牙后，他做了一些博伊尔做过的实验。惠更斯于1663年当选为英国皇家学会会员。当时惠更斯为摆钟设计申请了专利，同时他还想到了经度问题的解决方案。

3 在法国科学院工作

1666年惠更斯接受了被伏尔泰誉为“治国良相”的法国财政大臣科尔伯特的邀请，成为法国科学院的一员。那一年他来到巴黎，发现科学院还没有真正组织起来。在科尔伯特的图书馆与罗伯瓦尔、卡卡维等人举行会议之后，法国科学院搬到了皇家图书馆，作为科学院卓越的成员，惠更斯获得了很高的薪俸，并居住在皇家图书馆，他在很大程度上是基于对英国皇家学会运作方式的了解来组织法国科学院。

惠更斯关于弹性体碰撞的研究表明笛卡尔碰撞定律存在错误，他关于这个问题的回忆录于1668年被送到英国皇家学会。惠更斯通过实验证明：两个物体碰撞前在某一方向上的动量等于碰撞后在该方向上的动量，从而纠正了笛卡尔没有考虑动量方向的错误。圆周运动是惠更斯在这个时期研究的课题，他也继续思考笛卡尔基于旋涡的引力理论。在这段时间里，他已经表现出对笛卡尔理论不满的迹象，但他仍然在1669年就这个问题发表了演讲，在他的演讲之后，罗伯瓦尔和马略特强烈地质疑笛卡尔的理论，这可能影响了惠更斯。由于惠更斯的健康状况一直不好，1670年他身患重病离开巴黎去了荷兰。在离开巴黎之前，他怀疑自己将不久于人世，便把他未发表的力学论文寄给英国皇家学会。

1671年惠更斯来到巴黎，1672年法荷战争爆发，惠更斯发现自己处于极其困难的境地，因为在法国与祖国开战之际，自己却在巴黎身居高位。还好在那个时代的科学家们都觉得自己不受政治、战争的影响，惠更斯也能够在朋友们的大力支持下继续他的工作。

1672年惠更斯和莱布尼茨在巴黎会面，此后莱布尼茨经常访问法国科学院。通过深入交流，莱布尼茨从惠更斯那里学到了很多数学知识，惠更斯也获悉了牛顿在望远镜和光学方面的工作。他的著作《钟摆运动理论》于1673年问世，这是惠更斯接受路易十四资助的职位后发表的第一部著作，这一举动有助于加强他在巴黎的地位，但在荷兰引起了一些反对意见。在这部著作中，惠更斯证明了摆动的等时性，这是一个重要的理论结果，他还解决了复摆的问题，然而关于钟摆还有很多工作要做。

惠更斯描述了物体在真空中垂直或沿曲线下降的过程，他定义了曲线的渐屈线与渐伸线，在给出一些基本性质之后，找到了摆线和抛物线的渐屈线，惠更斯在这项工作中首次尝试研究物体而不是粒子的动力学。

1676年惠更斯再次患病，回到了海牙。他在那里花了两年时间，特别研究了巴多林在冰洲石晶体中发现的双折射现象。他还研究了光速问题，认为光速是有限的，并很高兴地知悉了罗默的实验结果，该实验通过观察木星的卫星得到了光速的近似值。1678年惠更斯再次回到巴黎，并在《光论》中提出了光的波动说。惠更认为一个不断膨胀的光球的行为就好像波前的每个点都是同频率和同相位的新辐射源，这就是著名的惠更斯原理。1690年《光论》正式出版，在讨论光的本质时，再次表明了他对机械解释的需求，他基于惠更斯原理对反射和折射做出了解释，优于牛顿的解释。后来他因健康欠佳于1681年再次回到海牙，这是他最后一次回到海牙。经度问题是惠更斯一生都在研究钟表的原因，1682年当健康恢复后，他为荷兰东印度公司设计了一个新的航海钟，他用游丝代替较笨重的钟摆，设计出许多钟表中所用的等时结构。

4 会见牛顿

1683年法国名臣科尔伯特去世，没有这位挚友的支持，惠更斯返回巴黎似乎是不可能的。1687年惠更斯的父亲去世，次年他的弟弟前往英国，惠更斯倍感孤独并思念那些可以讨论科学问题的朋友。1689年他又来到英国，这次惠更斯遇见了牛顿、博伊尔和英国皇家学会的其他科学家。目前还不清楚惠更斯和牛顿进行了哪些讨论，但惠更斯对牛顿非常钦佩，但同时也表示不相信万有引力理论，在他看来该理论非常荒谬。惠更斯认为当两个遥远的天体之间没有任何东西时，人们怎么能相信它们相互吸引。

很明显惠更斯认为牛顿的引力理论从根本上没有采用任何机械的解释，是不可接受的。最后惠更斯孤独地离开了英国，在他生命的最后几年，惠更斯撰写了关于外星生命的最早讨论，并在他死后的1698年以《宇宙理论》为题发表。他继续改进镜片，研制弹簧调节时钟和新的摆钟，惠更斯在1687年给茨尔恩豪斯的信中写道：“巨大的困难最初是能感觉到的，这些困难只有通过实验才能克服。然后再构思某些假设……但即便如此，仍有许多艰苦的工作要做，一个人不仅需要敏锐的洞察力，而且往往还需要一定程度的好运气。”

惠更斯既重视实验也重视推理，他善于在数学理论的基础上分析自然现象的机械原因，他的研究成果丰富了17世纪物理学，他把伽利略对现象的数学处理与笛卡尔对自然终极设计的看法结合起来，他是一个热心的笛卡尔主义者，试图纠正这个理论体系中的错误，但最后却成了最尖锐的批评者。惠更斯在处理碰撞、向心力和复摆时，逐渐阐明了质量、重量、动量、力和功的概念，他的科学成就永远值得我们纪念。