克里斯蒂安·惠更斯(Christian Huygens,1629年4月14日-1695年7月8日)出生于荷兰海牙,荷兰数学家、天文学家、物理学家。
1645年5月,惠更斯进入莱顿大学学习法律和数学。两年之后他又进了布雷达新创建的奥兰治学院,继续攻读法学两年,而在课余仍坚持自习数学。1651年,惠更斯写成《双曲线、椭圆和圆的求积定理》。1652年,他将弹性碰撞的规律公式化,并开始几何光学的学习。不久后,惠更斯对太空产生了兴趣,研制出望远镜透镜。1655年3月,他利用自制的望远镜发现土星的行星土卫六,改良了望远镜后,发现土星的圆环。1656年,造出了人类历史上第一架摆钟,并将制成的第一台“有摆落地座钟”献给了荷兰政府,这台钟的问世标志着人类进入了一个新的计时时代。1657年,惠更斯发表关于概率问题的论文《论赌博中的计算》。1663年,当选为英国皇家科学院会员。1666年,应邀来到巴黎科学院以后,开始了对物理光学的研究。1670年初,他生了一场严重的疾病,同年9月,基本痊愈并前往海牙,于1671年6月回到巴黎。1673年,惠更斯与法国物理学家丹尼斯·帕平(Dennis Paping)合作,建造了一个内燃机。同年开始了关于简谐振动的研究,并设计出由弹簧而非钟摆来校准时间的钟表。1677年,使用了显微镜进行研究。1678年,发表了《论光》,宣布了他在1676-1677年发展出来的光的波动理论(严格地说是光的脉冲理论)。1681年,惠更斯的病情加重,辞去在科学院的职位,回家乡海牙休养。1690年,提出了光的波动说,建立了惠更斯原理,在此基础上推导出了光的反射和折射定律,同时还解释光进入方解石晶体时所产生的双折射现象。1695年7月8日,惠更斯在故乡海牙逝世。1698年,他的著作《宇宙观览者或猜测中的天上世界》在荷兰海牙出版。
在数学领域,惠更斯是概率论学科的奠基者之一,创立了“惠更斯分析法”,第一次把概率论建立在公理、命题和问题上而构成一个较完整的理论体系。在物理领域,惠更斯提出了惠更斯原理,后来,奥古斯丁·菲涅耳(Augustin Jean Fresnel)基于光的干涉原理,对惠更斯原理进行补充,提出了惠更斯——菲涅耳原理。。惠更斯造出人类历史上第一架摆钟,给出关于“离心力”的基本命题,还提出重力由以太压力产生,地球上的每一个质点都受到趋向于地球物质重力中心的推力。在天文领域,惠更斯磨制了透镜,改进了望远镜,发现了土星的卫星土卫六,还观测到了猎户座大星云、火星极冠等。。惠更斯是介于伽利略与牛顿之间一位物理学先驱,是近代自然科学的一位重要开拓者。
人物生平
早年生活
惠更斯于1629年4月14日出生于荷兰海牙。惠更斯的父亲康士旦丁·惠更斯(Constantine Huygens)出身于贵族,是一位诗人和外交家。他的荷兰语和拉丁语诗作扬名全国,在荷兰文学史上占有重要地位。他热心赞助艺术事业。家中有各个领域中人士来访,包括当时英国诗人约翰·多恩(John Donne)等,还有哲学家和数学家勒内·笛卡尔(René Descartes),于是惠更斯就有许多机会接触这些数学、物理、哲学、艺术等各领域的学者。
母亲苏珊娜(Susanna)来自南方巴尔城,是一富商的女儿。惠更斯的祖父也曾为奥兰治王室成员服务多年,他重视子孙在文学、艺术、外语和自然科学方面的素养以及政治与外交才能的教育与培养。惠更斯在8岁时丧母,此后家务全由姑母操持。惠更斯与比他大一岁的胞兄小康士旦丁一同接受家教,由父亲和一两位家庭教师分工授以拉丁、希腊、法、意四种外语,以及算术、逻辑、地理、音乐等课程。13岁时,惠更斯自制一台车床,其父见到惠更斯有数学天资,动手能力强,常在客人面前声称他是“我的阿基米德儿子”。14岁时又跟斯坦倍恩(Steinbeien)先生学习数学。除此而外,他还学习和操作一些新的实用技术。
求学经历
1645年5月,惠更斯进入莱顿大学学习法律和数学。两年之后他又进了布雷达新创建的奥兰治学院,继续攻读法学两年,而在课余仍坚持自习数学。到了1649年秋,他得到一次机会,作为荷兰使团中的一员走访丹麦,初次体验到实际的外交工作。
1650年,一个关于流体静力学的手稿已经完成。1651年,惠更斯写成《双曲线、椭圆和圆的求积定理》,对圣文森特的格里高利(Gregory of St. Vincent)的圆求积进行反驳。1652年,惠更斯将弹性碰撞的规律公式化,并开始几何光学的学习。1654年,又发表了《圆大小的发现》。在接下来的岁月中,惠更斯研究了求抛物线长度,求抛物线旋转面的面积,许多曲线如蔓叶线、摆线和对数曲线的切线和面积问题。
研究经历
1655年,惠更斯获法学博士学位,随即访问巴黎,在那里开始了他重要的科学生涯。他在巴黎凭借父亲的名气、财产,以及他本人的气质,便轻易地进入上层社会圈中。
惠更斯为了研究太空,把大量的精力放在研制和改进光学仪器上,并成功地设计和磨制出了高精度和高放大度的望远镜透镜。1655年,他用改进后的望远镜首先发现了土星除环以外还伴有一颗卫星,次年他又认清了猎户星座中的星云原来是由一些恒星所组成的。1656年,惠更斯造出了人类历史上第一架摆钟,并将制成的第一台“有摆落地座钟”献给了荷兰政府,这台钟的问世标志着人类进入了一个新的计时时代。1657年,惠更斯取得了摆钟的专利,同年,发表关于概率问题的论文《论赌博中的计算》。1658年,出版《钟表论》一书,对摆钟的结构作了说明。
1660年,惠更斯第二次访问巴黎时,他又与早已在通信讨论数学问题中相知的帕斯卡面晤,多次交谈。1661年,惠更斯赶到英国参加皇家科学院的成立仪式,他向英国科学家们演示了自制的望远镜,大家都为之惊叹不已。1663年,惠更斯当选为英国皇家科学院会员。1666年,惠更斯应邀来到巴黎科学院以后,开始了对物理光学的研究。作为法国皇家科学院卓越的会员之一,惠更斯获得了很高的薪俸,并居住在法国国家图书馆的一套房间中,直到1681年。1668年,他开始在理论上和实验上,研究了阻力介质中的物体运动。1669年,惠更斯阐述了他的重力起因理论。
晚年生活
1670年初,惠更斯生了一场严重的疾病,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,尼德兰联省共和国与路易十四及其同盟者之间爆发了战争。奥兰治的威廉三世(William III)上台,惠更斯的父亲和哥哥继承了荷兰的重要位置,而惠更斯留在巴黎,继续他在学会的工作。1673年,惠更斯与法国物理学家丹尼斯·帕平(Dennis Paping)合作,建造了一个内燃机。同时开始了关于简谐振动的研究,并设计出由弹簧而非钟摆来校准时间的钟表。接着,就发生了他与胡克(Hooke)的优先权之争。同年他发表了《论摆钟》,并把它献给了法国国王,这一举动加强了惠更斯在巴黎的地位,但在荷兰引起了一些反对。
1675年秋,他旧病复发,从1676年7月到1678年6月惠更斯再次前往海牙。1677年,惠更斯使用了显微镜进行研究。1678年,发表了《论光》,宣布了他在1676-1677年发展出来的光的波动理论(严格地说是光的脉冲理论)。又一次因为疾病,惠更斯于1681年离开巴黎。1683年痊愈后,由于政治原因,决定留在荷兰。惠更斯从未结婚,在海牙以及在靠近福尔堡附近的家庭乡村别墅的相对孤寂的状态中,他继续光学研究,建造了许多钟表,并试用于几次长距离航海中,他还写下了《被发现的天上的世界》。1689年6月到9月,他访问英格兰,在那里遇到了艾萨克·牛顿(Isaac Newton)。牛顿的理论引起了惠更斯的仰慕之情但也激起了他强烈的分歧。
1687年惠更斯的父亲病逝,他自己的病情也已日渐严重。他在最后五年岁月中精神上全被孤独感和悲伤所控制,最终在1695年7月8日逝世,享年67岁。
1698年,惠更斯的最后一部著作《宇宙观览者或猜测中的天上世界》在海牙出版,这部书在惠更斯死后才出版,是一部关于其它行星上的居民的猜测性或科学幻想性的著作,
主要成果
数学领域
概率论
惠更斯分析法
惠更斯是概率论学科的奠基者之一,他在1657年出版的《论赌博中的计算》一书是第一部概率论著作,该书首次提出数学期望的概念,创立了“惠更斯分析法”,第一次把概率论建立在公理、命题和问题上而构成一个较完整的理论体系,标志着概率论的诞生。
几何学
惠更斯在几何数学上也取得了成就。例如面积和体积的确定,以及由古希腊数学家帕普斯(Pappus)的工作所启发的代数问题。后来惠更斯研究了抛物线求长、求抛物线旋转面的面积、许多曲线如蔓叶线、摆线(与帕斯卡在1658年公开提出的一个问题有联系)和对数曲线的切线和面积问题。
物理领域
光学
惠更斯原理
惠更斯认为,光是一种机械波。光波是一种靠物质载体来传播的纵向波(光波是纵波的观点这里是错误的),传播它的物质载体是“以太”,波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。例如,水面上有一任意波动传播(图1),在前进中遇到一个障碍物AB,AB上有一小孔O,小孔的孔径a比波长λ小。这样可以看到,穿过小孔的波是圆形的波,与原来波的形状无关,这说明小孔可以看做是一个新的波源.。
惠更斯总结了上述现象,于1690年提出,介质中波动传播的各点,都可以看做是发射子波的波源,在其后的任一时刻,这些子波的包络面就是新的波阵面,这就是惠更斯原理。惠更斯原理对任何波动过程都是适用的,只要知道某一时刻的波阵面,便可根据这一原理用几何方法来决定次一时刻的波阵面,因而在很广泛的范围内解决了波的传播问题。
在此原理基础上,惠更斯推导出了光的反射和折射定律,圆满解释了光速在光密介质中减小的原因,同时还解释了光进入方解石晶体时所产生的双折射现象,认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致,同时还发现了光的偏振现象。。惠更斯原理是近代光学的重要基本理论,为后来光学的发展奠定了基础。
惠更斯-菲涅耳原理
奥古斯丁·菲涅耳(Augustin Jean Fresnel)基于光的干涉原理,考虑到子波来自同一个光源,它们应该是相干的,因而波前外任意一点的光振动应该是波前上所有子波相干叠加的结果。这种用“子波相干叠加”思想补充的惠更斯原理称为惠更斯-菲涅耳原理。
力学
摆的研究和应用
1656年,惠更斯在总结伽利略·伽利莱对摆的研究后,提出了秒摆周期公式,造出人类历史上第一架摆钟。这台摆钟用下垂的重力作为驱动力,经过多个齿轮传动向单摆施以周期性、瞬时的冲力,使摆锤不因为空气阻力和摩擦力而停止摆动,同时摆的等时运动又调节着摆锤的下降和指针的运动。惠更斯将制成的第一台“有摆落地大座钟”献给了荷兰政府,1658年,惠更斯在《时钟》一书中向世界宣布了这一发明,这台钟的问世,标志着人类进入了一个新的计时时代。
惠更斯在他的《摆钟论》中还给出了他关于所谓的“离心力”的基本命题,他提出:一个作圆周运动的物体具有飞离中心的倾向,它向中心施加的离心力与速度的平方成正比,与运动半径成反比,这也是他对伽利略·伽利莱摆动学说的扩充。
惠更斯在1673年出版的《摆动的时钟》一书中,以对钟摆摆动所作出的数学解释来支持自己的实际研究结果。该书包括了很多的其他动态解释,并预测了牛顿的第一运动定律,即“牛顿第一运动定律”,它阐明的是:沿直线运动的物体将以这一方式无限地继续运动下去,直至遇到另一个力为止。
重力
惠更斯在他的《论重力的起因》里,假设重力由以太压力产生,地球上的每一个质点都受到趋向于地球物质重力中心的推力,推力的大小与质点到该中心的距离平方成反比,并且发现地球的极半径要比赤道半径短后者的1/578。该理论为离心力的出现做了铺垫。惠更斯认为不应把重力看作是物体的一种属性或倾向,而应当象对待任何其他自然过程一样,并指出往把重力的作用是物体的固有性质。
天文领域
望远镜
惠更斯把大量的精力放在了研制和改进光学仪器上,他设计制造的光学和天文仪器精巧,磨制了透镜,改进了望远镜(用它发现了土星光环等),还有几十米长的“空中望远镜”(无管、长焦距、可消色差)、展示星空的“行星机器”(即今天文馆雏形)等。
观测
土星的发现
1655年,惠更斯利用改良的望远镜对土星进行观察,发现土星的奇怪外观是因为它为一个薄薄的平面圆环所包围,圆环与其黄道相倾斜。后来惠更斯又发现了土星的卫星土卫六,并且还观测到了猎户座大星云、火星极冠等。1659年,惠更斯他发表了《土星系》,书中描述了他的发现,确定了光环的位置,并解释了它忽隐忽现的现象。
宇宙的本源
惠更斯晚年开始思考宇宙的本源。他的思想在著作《宇宙观览者》(全名《宇宙观览者或猜测中的天上世界》)中表达出来。整部书中,最引人注目的便是惠更斯对其他行星上居民思维的猜测:。这部著作发行后,广受读者好评。而在现实科研中,科学家们整整花了300多年,才找到了在地球以外还有其他生命体存在的可能性。
主要论著
主要著作
主要论文
相关评价
学者张福明评道:“克里斯蒂安·惠更斯是继伽利略·伽利莱之后一位重要的物理学先驱,是科学发展史上著名的物理学家之一。他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献,在数学和天文学方面也有卓越的成就,是近代自然科学的一位重要开拓者。”
获得荣誉
人物关系
学术碰撞
艾萨克·牛顿认为光是由微小的微粒组成,而惠更斯坚定认为光的本质是一种波动体系,于是两人展开了一场争辩。惠更斯认为牛顿的研究经过精心策划,目的是推翻波动说。就色光特别是白光的组成问题,提出反对意见。在回应中,牛顿指出,白光并非只含黄、蓝两种色光,而是光谱中所有色光合成的产物。对被迫再次进行辩解,出于对惠更斯的尊敬,艾萨克·牛顿竭力按捺住了愤懑情绪。
后世纪念
惠更斯邮票
1695年,荷兰发行了纪念惠更斯的邮票。
惠更斯号探测器
欧洲航天局以惠更斯的姓氏命名了一个太空探测器来纪念他发现土卫六。惠更斯号探测器于2005年登陆土卫六,它由美国的卡西尼号航天器运载和释放。