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数学家传记

克里斯蒂安·惠更斯Christiaan Huygens

出生
1629年4月14日 荷兰海牙
逝世
1695年7月8日 荷兰海牙

克里斯蒂安·惠更斯是一位荷兰数学家,他为第一台摆钟申请了专利,这大大提高了时间测量的精度。他奠定了力学的基础,还从事天文学和概率论的研究。

完整传记

克里斯蒂安·惠更斯出身于一个重要的荷兰家庭。他的父亲Constantin Huygens曾学习自然哲学,是一名外交官。正是通过他,惠更斯得以进入当时顶尖的科学圈子。特别是康斯坦丁在英国有许多联系人,并定期与马兰·梅森通信,还是勒内·笛卡儿的朋友。

惠更斯在家中由私人教师辅导直到16岁,学习了几何、制作机械模型以及弹鲁特琴等社交技能。他的数学教育显然受到勒内·笛卡儿的影响,后者偶尔拜访惠更斯家,并对年轻的惠更斯的数学进步表现出极大的兴趣。

惠更斯从1645年到1647年在莱顿大学学习法律和数学。他在莱顿期间,弗兰斯·范斯霍滕辅导他数学。从1647年到1649年,他继续学习法律和数学,但此时是在布雷达的奥兰治学院。尽管约翰·佩尔大约在这个时候是布雷达的一名教师,但他似乎与惠更斯接触甚少。通过他父亲与马兰·梅森的联系,惠更斯与马兰·梅森之间的通信大约在这个时候开始了。马兰·梅森向惠更斯提出挑战,要求解决若干问题,包括两端悬挂的绳索的形状。尽管他未能解决这个问题,但他确实解决了相关的如何将重物挂在绳索上使其呈抛物线形状悬挂的问题。

1649年,惠更斯作为外交团队的一员前往丹麦,并希望继续前往斯德哥尔摩拜访勒内·笛卡儿,但天气不允许他进行这次旅行。在访问丹麦之后,他又访问了欧洲其他地方,包括罗马。

惠更斯在1651年和1654年的首批出版物探讨了数学问题。1651年的出版物Cyclometriae(《圆的度量》)展示了格雷瓜尔·德·圣樊尚所提出方法的谬误,后者曾声称已squared the circle。惠更斯1654年的著作De Circuli Magnitudine Inventa(《求圆的大小》)是关于类似主题的一部更重要的作品。

惠更斯很快将注意力转向透镜研磨和望远镜制造。大约在1654年,他设计了一种新的更好的研磨和抛光透镜的方法。使用他自己的一块透镜,惠更斯于1655年发现了土星的第一颗卫星。同年,他首次访问巴黎。他将自己的发现告知了巴黎的数学家,包括伊斯梅尔·布里阿德,而惠更斯则得知了布莱兹·帕斯卡皮埃尔·德·费马之间通信中进行的关于probability的工作。回到荷兰后,惠更斯写了一部关于概率演算的小著作De Ratiociniis in Ludo Aleae,这是该主题的第一部印刷作品。

第二年,他发现了土星环的真实形状。然而其他人有不同的理论,包括罗贝瓦尔伊斯梅尔·布里阿德伊斯梅尔·布里阿德未能探测到土星的卫星泰坦,因此惠更斯意识到他使用的望远镜较差。到1656年,惠更斯能够向伊斯梅尔·布里阿德确认他的环理论,结果被报告给巴黎小组。在Systema Saturnium(1659年)中,惠更斯解释了环的相位和形状变化。一些人,包括耶稣会士Fabri,不仅攻击惠更斯的理论,还攻击他的观测。然而到1665年,甚至Fabri也被说服接受惠更斯的环理论,因为改进的望远镜证实了他的观测。

天文学工作需要对时间的精确计量,这促使惠更斯着手解决这个问题。1656年,他为第一台摆钟申请了专利,这大大提高了时间测量的精度。他在摆方面的研究与他在摆线方面所做的其他数学工作有关,这是由布莱兹·帕斯卡的挑战引起的。惠更斯认为,在大弧中摆动的摆在海上有用,因此他发明了摆线摆。他建造了几台摆钟以确定海上经度,这些钟在1662年和1686年进行了海上试验。在Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum(1673年)中,他描述了摆运动的理论。他还推导出了匀速圆周运动的离心力定律。由于这一点,惠更斯、罗伯特·胡克爱德蒙·哈雷克里斯托弗·雷恩提出了万有引力的平方反比定律。

惠更斯于1660年回到巴黎,并参加了那里各种科学学会的会议。他在给兄弟的一封信中写道:-

……每周二[在蒙莫尔家]都有一个聚会,二三十位杰出人士聚在一起。我从不缺席……我也偶尔去罗奥先生家,他阐述勒内·笛卡儿先生的哲学,并对其做非常精细的实验,推理得当。

在这些学会中,他遇到了许多数学家,包括罗贝瓦尔皮埃尔·德·卡克维布莱兹·帕斯卡Pierre Petit吉拉尔·笛沙格和索比埃尔。在布莱兹·帕斯卡于1660年12月拜访他之后,惠更斯写道

……我们谈论了炮筒中稀薄水的力量以及飞行,我给他看了我的望远镜……

1661年,惠更斯访问了伦敦,特别是为了进一步了解当时在格雷沙姆学院新成立的皇家学会聚会。他对约翰·沃利斯以及他会见的其他英国科学家印象深刻,从那时起,他继续与这个团体保持联系。他向英国科学家展示了他的望远镜,这些望远镜被证明优于英国使用的望远镜。约克公爵和公爵夫人前来通过惠更斯的望远镜观察月球和土星。在伦敦期间,惠更斯看到了罗伯特·波义耳的真空泵,他对此印象深刻。回到海牙后,他亲自进行了许多罗伯特·波义耳的实验。惠更斯于1663年当选为伦敦皇家学会会士。

此时,惠更斯为他的摆钟设计申请了专利,心中想着解决经度问题。1665年,他得知皇家学会正在研究其他形式的钟,特别是罗伯特·胡克正在试验一种弹簧调节的钟。惠更斯写信给罗伯特·胡克,怀疑这种方法,他认为这种方法会受到温度变化的过度影响。尽管如此,惠更斯确实开始试验由弹簧调节的钟,但它们的精度比他的摆钟差。

惠更斯于1666年接受了科尔贝尔的邀请,成为Académie Royale des Sciences的一部分。他当年抵达巴黎,发现学会尚未组织起来。在与罗贝瓦尔皮埃尔·德·卡克维、阿德里安·奥祖、福兰尼可、奥祖和比奥在科尔贝尔的图书馆举行会议后,Society搬到了国王图书馆,惠更斯在那里居住。他担任了该小组的领导,很大程度上基于他对皇家学会在英格兰运作方式的了解。

惠更斯关于弹性体碰撞的工作显示了勒内·笛卡儿碰撞定律的错误,他关于这个主题的论文于1668年寄给了皇家学会Royal Society提出了一个关于碰撞的问题,惠更斯通过实验证明,两个物体碰撞前在固定方向上的动量等于碰撞后在该方向上的动量。约翰·沃利斯克里斯托弗·雷恩也回答了这个。问题。

圆周运动是惠更斯此时着手的一个课题,但他也继续思考勒内·笛卡儿基于涡旋的引力理论。他此时似乎已表现出对勒内·笛卡儿理论的不满迹象,但他在1669年仍就这一课题向Académie作了报告,尽管在他报告之后,罗贝瓦尔和Mariotte强烈且正确地反对勒内·笛卡儿的理论,这可能影响了惠更斯。

从青年时代起,惠更斯的健康就从未强健过,1670年他患了重病,结果他离开巴黎前往荷兰。在离开巴黎之前,他相信自己已接近死亡,便要求将他未发表的力学论文寄给皇家学会。英国大使的秘书被召来,描述了惠更斯的理由:-

……他谈到了英格兰的皇家学会,他说那是基督教世界中最精选的才俊的集会……他说他选择将这些小小的劳动成果……交到他们手中,而不是其他任何人。……他说他确实预见到这个科学院的解体,因为它掺杂着嫉妒的色彩,因为它建立在利益的假设之上,因为它完全取决于一位王子的脾性和一位大臣的恩宠……

到1671年,惠更斯回到了巴黎。然而在1672年,路易十四入侵低地国家,惠更斯发现自己处于极其困难的境地:在法国与自己的祖国交战时,他却在巴黎担任重要职位。那个时代的科学家们认为自己超越于政治战争之上,惠更斯在朋友们的大力支持下,得以继续他的工作。

1672年,惠更斯和哥特弗里德·威廉·莱布尼茨在巴黎相遇,此后哥特弗里德·威廉·莱布尼茨经常造访Académie。事实上,哥特弗里德·威廉·莱布尼茨在很大程度上要归功于惠更斯,他从后者那里学到了许多数学。同年,惠更斯得知了艾萨克·牛顿在望远镜和光方面的工作。他相当错误地批评了艾萨克·牛顿的光理论,特别是他的颜色理论。他自己的著作Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum(摆钟与摆的运动)于1673年问世,表明惠更斯已经远远摆脱了勒内·笛卡儿的影响。

Horologium Oscillatorium(摆钟与摆的运动)包含关于摆的工作。在其中,惠更斯证明了摆线是等时曲线,这是一个重要的理论结果,但对摆的实际应用甚少。他还解决了复摆问题。然而,其中远不止关于摆的工作。惠更斯描述了物体在真空中的下降,无论是垂直下降还是沿曲线下降。他定义了曲线的evolutesinvolutes,并在给出一些基本性质之后,求出了摆线和抛物线的渐屈线。惠更斯在这部著作中首次尝试研究物体而非质点的动力学。

德尼·帕潘大约在这段时间担任惠更斯的助手,在他离开去与罗伯特·波义耳共事之后,埃伦弗里德·瓦尔特·冯·切恩豪斯加入了惠更斯。1676年又一次患病使惠更斯再次回到海牙。他在那里待了两年,尤其研究了拉斯穆·巴多林在冰洲石晶体中发现的双折射。他还研究了光速,他相信光速是有限的,并很高兴听到Rømer的实验,该实验通过观测木星的卫星给出了光速的近似值。

到1678年,惠更斯已经回到巴黎。那一年,他的Traité de la lumiere(《论光》)问世,在其中惠更斯主张光的波动说。惠更斯指出,一个膨胀的光球的行为就好像波前上的每一点都是具有相同频率和相位的新辐射源。然而,他的健康状况变得更加不可靠,1679年他病倒了,1681年再次病倒,那时他最后一次回到海牙。菲利普·德拉伊尔一直反对Académie中的外国人,他向惠更斯致以最良好的祝愿,但他显然希望他不要回来,以便他自己可能获得他的职位。

经度问题一直是惠更斯一生继续研究钟表的一个持续动因。在他恢复健康后,他又在1682年研究一种新的航海钟,由于荷兰东印度公司表现出兴趣,他努力研究这些钟表。科尔贝尔于1683年去世,没有他的赞助人的支持,回到巴黎似乎是不可能的。他的父亲于1687年去世,享年91岁,次年他的兄弟前往英格兰。惠更斯怀念身边有可以讨论科学话题的人。1689年他来到英格兰。

惠更斯在皇家学会会见了艾萨克·牛顿罗伯特·波义耳和其他人。惠更斯与艾萨克·牛顿之间进行了什么讨论不得而知,但我们确实知道惠更斯非常钦佩艾萨克·牛顿,但同时又相信万有引力理论,他说

在我看来是荒谬的。

当然,从某种意义上说惠更斯是对的,当两个相距遥远的物体之间什么都没有时,人们怎么能相信它们会相互吸引呢,艾萨克·牛顿的理论中没有任何东西能解释一个物体怎么可能甚至知道另一个物体的存在。后来在写到艾萨克·牛顿Principia时,惠更斯写道:-

我高度评价他的理解和敏锐,但我认为在这部著作的大部分内容中,它们被用在了不当之处,作者在那里研究的是些用处不大的东西,或者是在不可信的吸引原理上构建理论。

他带着对在荷兰科学孤立处境的深深悲伤离开了。

在他生命的最后几年,惠更斯撰写了最早关于外星生命的讨论之一,在他死后出版为Cosmotheoros(宇宙理论)(1698年)。他继续致力于改进透镜、弹簧调节钟和新的摆钟。

惠更斯在Lettre touchant le cycle harmonique(关于和谐周期的信)中描述了31音平均律。这间接导致了本世纪荷兰31音音乐的传统。

在1687年写给埃伦弗里德·瓦尔特·冯·切恩豪斯的一封信中,惠更斯解释了他自己的方法:-

……起初会遇到很大的困难,只有从实验出发……然后构想某些假说……才能克服这些困难。但即便如此,仍有大量艰苦的工作要做,人们不仅需要极大的洞察力,还常常需要一定程度的运气。

惠更斯的科学成就在[4]中被总结如下:-

……惠更斯是十七世纪最伟大的机械论者。他把伽利略对现象的数学处理与勒内·笛卡儿关于自然终极设计的构想结合起来。他起初是一位热忱的笛卡尔主义者,试图纠正该体系中较为明显的错误,最终却成为它最尖锐的批评者之一。……质量、重量、动量、力和功这些概念,最终在惠更斯对碰撞现象、向心力以及人们最早研究的动力系统——复摆——的处理中得到了澄清。

参考文献

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