享譽國際的荷蘭物理學家
——惠更斯

張曉森 王 兵

(安徽理工大學力物學院,安徽 淮南 232001)

1 教育背景

克里斯蒂亞安·惠更斯出身于荷蘭的一個富裕而顯赫的家庭，他的父親康斯坦丁·惠更斯是一位熱愛自然哲學的外交官，與英國各界聯(lián)系密切，并定期與默森通信，他還是笛卡爾的摯友，對惠更斯將來躋身于那個時代的一流科學家行列有著重要影響。惠更斯16歲以前在家接受私人教師的教育，他學習了幾何學，早年就表現(xiàn)出對機械的愛好、繪畫和數(shù)學天賦。他早期在幾何學方面的工作給偶爾造訪的笛卡爾留下了深刻的印象，他的數(shù)學研究受到了笛卡爾的影響。

1645年至1647年惠更斯在萊頓大學學習法律和數(shù)學，1647年到1649年他在布雷達的奧蘭治學院繼續(xù)學習。通過他父親與默森的關系，惠更斯和默森之間的通信大約從這個時候開始，他們探討了很多數(shù)學問題。當時學術界正處于對笛卡爾哲學的激烈爭論之中，雖然惠更斯后來摒棄了笛卡爾的某些理論，但他贊同機械解釋在科學理論中是必需的，這對他在光和引力的研究產(chǎn)生了重要影響。

2 游歷歐洲

1649年惠更斯隨荷蘭外交使團前往丹麥，他原本希望繼續(xù)前往斯德哥爾摩去拜訪德高望重的笛卡爾，但天氣原因阻礙了他的瑞典之旅。惠更斯在1651年和1654年的第一批出版物涉及一些數(shù)學問題，1651年出版的《雙曲線、橢圓和圓的求積定理》指出了圣文森特的格雷戈里的方法的錯誤，1654年的《圓大小的發(fā)現(xiàn)》也是后續(xù)類似研究的成果，在接下來的歲月中，他對各種平面曲線如懸鏈線、曳物線、對數(shù)螺線等都進行過研究。

后來他將注意力轉向透鏡研磨和望遠鏡制作，他提出了一種新的研磨和拋光鏡片的方法。1655年惠更斯用自己研磨的透鏡制作望遠鏡，觀測到了土星的一顆衛(wèi)星，同年惠更斯第一次來到巴黎，由于他那高貴的出身、富裕的家境和和藹可親的態(tài)度，使其很快融入當時巴黎知識分子和社會名流的圈子。他向包括布利奧在內(nèi)的巴黎數(shù)學家交流了他的研究發(fā)現(xiàn)，惠更斯在帕斯卡爾和費馬之間的通信中了解到概率方面的工作，回國后很快發(fā)表了一篇關于概率論的短文——《論賭博中的計算》。

1656年惠更斯發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的真實形狀，當時包括羅伯瓦爾和布利奧等很多學者對此有不同的看法。布利奧表示未能探測到土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六，惠更斯意識到他可能使用的是較差的望遠鏡。1659年在《土星系統(tǒng)》一文中，惠更斯解釋了土星環(huán)的形狀和變化，當時人們都質(zhì)疑他的理論和觀察。1665年人們利用改進的望遠鏡證實了惠更斯的觀測結果，包括法布里在內(nèi)的很多學者都接受了他的理論。

天文學研究需要精確的計時，這促使惠更斯解決這個問題。1656年他申請了第一個擺鐘的專利，這大大提高了時間測量的精度。1673年惠更斯在《鐘擺運動理論》一文中，總結了鐘擺的運動規(guī)律，杰出的工作中包含曲率的數(shù)學理論，他完整地推導出了單擺振動的動力學公式，他還推導了勻速圓周運動的離心力定律。

惠更斯于1660年回到巴黎，參加了那里舉辦的各種科學協(xié)會的會議，在這些協(xié)會中，他遇到了許多數(shù)學家，包括羅伯瓦爾、卡卡維、帕斯卡、皮埃爾·佩蒂特、德薩格和索比埃。

1661年惠更斯訪問了倫敦，特別是為了了解英國皇家學會。沃里斯和其他英國科學家給他留下了深刻的印象，從這一天起，他深入與英國學者接觸交流。他向英國科學家展示了他的望遠鏡，事實證明他的望遠鏡比在英國使用的望遠鏡更勝一籌，約克公爵等人利用惠更斯的望遠鏡觀測了月球和土星。在倫敦惠更斯看到了博伊爾的真空泵，這給他留下了深刻的印象，回到海牙后，他做了一些博伊爾做過的實驗。惠更斯于1663年當選為英國皇家學會會員。當時惠更斯為擺鐘設計申請了專利，同時他還想到了經(jīng)度問題的解決方案。

3 在法國科學院工作

1666年惠更斯接受了被伏爾泰譽為“治國良相”的法國財政大臣科爾伯特的邀請，成為法國科學院的一員。那一年他來到巴黎，發(fā)現(xiàn)科學院還沒有真正組織起來。在科爾伯特的圖書館與羅伯瓦爾、卡卡維等人舉行會議之后，法國科學院搬到了皇家圖書館，作為科學院卓越的成員，惠更斯獲得了很高的薪俸，并居住在皇家圖書館，他在很大程度上是基于對英國皇家學會運作方式的了解來組織法國科學院。

惠更斯關于彈性體碰撞的研究表明笛卡爾碰撞定律存在錯誤，他關于這個問題的回憶錄于1668年被送到英國皇家學會。惠更斯通過實驗證明：兩個物體碰撞前在某一方向上的動量等于碰撞后在該方向上的動量，從而糾正了笛卡爾沒有考慮動量方向的錯誤。圓周運動是惠更斯在這個時期研究的課題，他也繼續(xù)思考笛卡爾基于旋渦的引力理論。在這段時間里，他已經(jīng)表現(xiàn)出對笛卡爾理論不滿的跡象，但他仍然在1669年就這個問題發(fā)表了演講，在他的演講之后，羅伯瓦爾和馬略特強烈地質(zhì)疑笛卡爾的理論，這可能影響了惠更斯。由于惠更斯的健康狀況一直不好，1670年他身患重病離開巴黎去了荷蘭。在離開巴黎之前，他懷疑自己將不久于人世，便把他未發(fā)表的力學論文寄給英國皇家學會。

1671年惠更斯來到巴黎，1672年法荷戰(zhàn)爭爆發(fā)，惠更斯發(fā)現(xiàn)自己處于極其困難的境地，因為在法國與祖國開戰(zhàn)之際，自己卻在巴黎身居高位。還好在那個時代的科學家們都覺得自己不受政治、戰(zhàn)爭的影響，惠更斯也能夠在朋友們的大力支持下繼續(xù)他的工作。

1672年惠更斯和萊布尼茨在巴黎會面，此后萊布尼茨經(jīng)常訪問法國科學院。通過深入交流，萊布尼茨從惠更斯那里學到了很多數(shù)學知識，惠更斯也獲悉了牛頓在望遠鏡和光學方面的工作。他的著作《鐘擺運動理論》于1673年問世，這是惠更斯接受路易十四資助的職位后發(fā)表的第一部著作，這一舉動有助于加強他在巴黎的地位，但在荷蘭引起了一些反對意見。在這部著作中，惠更斯證明了擺動的等時性，這是一個重要的理論結果，他還解決了復擺的問題，然而關于鐘擺還有很多工作要做。

惠更斯描述了物體在真空中垂直或沿曲線下降的過程，他定義了曲線的漸屈線與漸伸線，在給出一些基本性質(zhì)之后，找到了擺線和拋物線的漸屈線，惠更斯在這項工作中首次嘗試研究物體而不是粒子的動力學。

1676年惠更斯再次患病，回到了海牙。他在那里花了兩年時間，特別研究了巴多林在冰洲石晶體中發(fā)現(xiàn)的雙折射現(xiàn)象。他還研究了光速問題，認為光速是有限的，并很高興地知悉了羅默的實驗結果，該實驗通過觀察木星的衛(wèi)星得到了光速的近似值。1678年惠更斯再次回到巴黎，并在《光論》中提出了光的波動說。惠更認為一個不斷膨脹的光球的行為就好像波前的每個點都是同頻率和同相位的新輻射源，這就是著名的惠更斯原理。1690年《光論》正式出版，在討論光的本質(zhì)時，再次表明了他對機械解釋的需求，他基于惠更斯原理對反射和折射做出了解釋，優(yōu)于牛頓的解釋。后來他因健康欠佳于1681年再次回到海牙，這是他最后一次回到海牙。經(jīng)度問題是惠更斯一生都在研究鐘表的原因，1682年當健康恢復后，他為荷蘭東印度公司設計了一個新的航海鐘，他用游絲代替較笨重的鐘擺，設計出許多鐘表中所用的等時結構。

4 會見牛頓

1683年法國名臣科爾伯特去世，沒有這位摯友的支持，惠更斯返回巴黎似乎是不可能的。1687年惠更斯的父親去世，次年他的弟弟前往英國，惠更斯倍感孤獨并思念那些可以討論科學問題的朋友。1689年他又來到英國，這次惠更斯遇見了牛頓、博伊爾和英國皇家學會的其他科學家。目前還不清楚惠更斯和牛頓進行了哪些討論，但惠更斯對牛頓非常欽佩，但同時也表示不相信萬有引力理論，在他看來該理論非常荒謬。惠更斯認為當兩個遙遠的天體之間沒有任何東西時，人們怎么能相信它們相互吸引。

很明顯惠更斯認為牛頓的引力理論從根本上沒有采用任何機械的解釋，是不可接受的。最后惠更斯孤獨地離開了英國，在他生命的最后幾年，惠更斯撰寫了關于外星生命的最早討論，并在他死后的1698年以《宇宙理論》為題發(fā)表。他繼續(xù)改進鏡片，研制彈簧調(diào)節(jié)時鐘和新的擺鐘，惠更斯在1687年給茨爾恩豪斯的信中寫道：“巨大的困難最初是能感覺到的，這些困難只有通過實驗才能克服。然后再構思某些假設……但即便如此，仍有許多艱苦的工作要做，一個人不僅需要敏銳的洞察力，而且往往還需要一定程度的好運氣。”

惠更斯既重視實驗也重視推理，他善于在數(shù)學理論的基礎上分析自然現(xiàn)象的機械原因，他的研究成果豐富了17世紀物理學，他把伽利略對現(xiàn)象的數(shù)學處理與笛卡爾對自然終極設計的看法結合起來，他是一個熱心的笛卡爾主義者，試圖糾正這個理論體系中的錯誤，但最后卻成了最尖銳的批評者。惠更斯在處理碰撞、向心力和復擺時，逐漸闡明了質(zhì)量、重量、動量、力和功的概念，他的科學成就永遠值得我們紀念。