Оптика занимает особое место в науке, хотя бы потому, что “свет” – понятие и макроскопическое и микроскопическое, интересы оптики, ее методы простираются от мегамира до микромира, от Вселенной до микрочастиц, а научные выводы, полученные или при изучении оптических явлений, или с помощью оптических методов и средств, не раз меняли представления об устройстве мира, то есть имели и имеют мировоззренческий характер.

Даже на первых этапах развития науки, в эпохи мифологии и философии, еще до возникновения инструментальной оптики, представление о свете, зрении, Солнце играли весомую роль в формировании мировоззрения. Существовала мифологическая, фантастическая "оптика", в которой обожествлялось Солнце, смешивались понятия зрения и света. Тождественность представлений о свете и зрении сохранялась вплоть до XVII в. На фоне выдающихся успехов науки в таких областях, как геодезия, астрономия, математика, механика учение о свете было, по современным понятиям, нелепым. Это может быть объяснено в определенной мере отсутствием оптических инструментов, дающих изображения предметов. Первой оптической системой, "отделившей" свет от зрения, стала камера-обскура, о которой мы уже упоминали. Изображение, даваемое камерой, существовало отдельно от глаза. Как только появились оптические системы, создающие изображение, оптика как наука о зрении (в первородном смысле) стала превращаться в науку о свете, или, в более широком понимании, науку об излучении, его распространении и взаимодействии с веществом. В технике возникает оптическое приборостроение, и по сей день создающее условия для развития многих отраслей науки и техники.

Оптические эксперименты поставили на новом уровне теоретические проблемы в области оптики, важнейшими из которых являются проблемы природы света и скорости его распространения. В постановке и решении этих проблем видное место принадлежит Франческо Гримальди (1618-1663), Олафу Ремеру (1644-1710), Христиану Гюйгенсу (1629-1695), Роберту Гуку (1635-1703).

В ряду достижений оптики XVII в. ярким событием явилось открытие дифракции, принадлежащее итальянскому ученому Гримальди.

Франческо Мария Гримальди родился в семье торговца шелком. С юных лет Гримальди вступил в орден иезуитов и на протяжении многих лет учился в нескольких иезуитских школах и университетах Италии, а затем сам преподавал в иезуитской коллегии в Болонье математику и филисофию. В 1647 году Гримальди получил степень доктора философии, а в 1651 г. принял сан священника.

К вопросам оптики Гримальди пришел от астрономии, которой занимался под влиянием известного итальянского астронома Дж. Риччиолли. Гримальди оказывал ему помощь в подготовке к изданию книги "Новый Альмагест".

Основное научное сочинение Ф. Гримальди, которому он посвятил последние годы жизни, было опубликовано посмертно в 1665 году. Книга под названием "Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге" начинается с заявления об открытии дифракции – отклонения света, нарушения прямолинейности его распространения при взаимодействии с препятствием, например при прохождении через малые отверстия. Термин "дифракция" введен самим Гримальди и используется по сей день. Явление дифракции было открыто Гримальди при проведении экспериментов с узкими пучками лучей. Схема одного из опытов показана на рис.7.

Рис.7.Схема опыта Гримальди по дифракции

Через щель CD в пластинке AB проходит пучок лучей – солнечный свет. На пути пучков, прошедших через щель CD, расположена другая щель GH в пластинке EF. Оказалось, что лучи, прошедшие GH, образуют конус, основание которого IK заметно больше, чем это должно следовать из геометрических построений (конусы NDM и LCO). Кроме того, края световых пятен, наблюдаемых на экране, оказались окрашенными, по описанию Гримальди, в красные и голубоватые цвета, тогда как центральное пятно было белым, "залитым чистым светом". Гримальди объясняет это явление образованием за препятствием волн в световом флюиде, отклоняющихся за отверстием.

Долгое время вопрос о скорости света оставался открытым. Замечательным событием в изучении этого вопроса стала дискуссия Р. Декарта и П. Ферма, приведшая Ферма к формулировке принципа "наименьшего времени" при распространеии света. Ферма придерживался мнения о мгновенности распространения света, но искал зерно истины в метафизическом утверждении, известном еще со времен античности, что природа всегда действует по кратчайшему пути. Но что такое кратчайший путь? Как оказалось, это не самый близкий, не самый легкий, не путь с наименьшим сопротивлением, а путь с кратчайшим временем. Этот принцип известен как "принцип Ферма". Приняв гипотезу о конечности скорости света и ее зависимости от свойств среды, соединив эту гипотезу с принципом кратчайшего времени, Ферма получил, к своему удивлению, закон преломления, совпадавший с законом Декарта. Ферма дал и обратную формулировку этого закона, по которой если преломление подчиняется закону Декарта, и если показатель преломления равен отношению скоростей света в первой и второй среде, то свет при распространении из одной среды в другую следует по пути, при котором время распространения является наименьшим.

Имя Пьера Ферма (1601-1665) известно также в связи с его теоремой, доказать которую до сих пор не удается. По профессии Ферма был юристом, работал адвокатом в Тулузе, советником парламента, и математика для него была желанным увлечением. Он любил читать сочинения древних ученых. На полях "Арифметики" Диофанта Александрийского Ферма написал, что нельзя решить уравнение

где n – целое число больше 2. Ферма пишет: "Я нашел удивительное доказательство этого предположения, но здесь слишком мало места, чтобы его поместить". Несмотря на усилия выдающихся математиков, доказательство утверждения Ферма в общем виде не найдено, но получено лишь для некоторых частных случаев.

Вернемся к проблеме скорости света. С помощью экспериментальной техники того времени измерение скорости света было невозможным. Поэтому естественным было использование астрономических наблюдений, то есть наблюдений на расстояниях, при которых время распространения света становится доступным для измерения. Доказательство конечности скорости света принадлежит датскому ученому Олафу Ремеру.

Ремер родился в Ааргузе в семье купца. Учился в Копенгагенском университете, изучал медицину, физику, астрономию. В 1671 г. Ремер принял приглашение работать в Парижской обсерватории. В Париже он принимает активное участие в решении ряда технических проблем в проведении точнейших астрономических наблюдений. Интересно отметить, что он обучал математике наследника французского престола. Именно здесь, в Париже, Ремер доказал конечность скорости света при наблюдении за одним из спутников Юпитера. Схема наблюдений показана на рис.8.

Рис.8.Схема наблюдений Ремера за спутником Юпитера

Пусть A – Солнце, B – Юпитер, D и C – положения спутника Юпитера Ио, входящего в тень в т. C и выходящего из тени в т. D; K, L, G, F – точки наблюдения с Земной орбиты, EH – диаметр Земной орбиты, проходящей через Солнце. Когда Земля удаляется от орбиты Юпитера, перемещаясь из т. L в т. K момент выхода из тени спутника в т. D будет отсрочен на время распространения излучения от т. L к т. K. И, напротив, при перемещении из т. F к т. G момент выхода из тени будет на этот же интервал приближен. По подсчетам Ремера необходимо 22 минуты для прохождения интервала EH, равного диаметру орбиты Земли (современное значение 16 мин. 36 сек.).

Свою теорию Ремер представил Парижской Академии наук, но эта теория встретила в академической среде, где господствовало картезианство, сильное сопротивление. Большинство крупных ученых того времени, среди которых И. Ньютон, Х. Гюйгенс, Г.В. Лейбниц разделяли взгляды Ремера.

После возвращения на родину Ремер создал первоклассную обсерваторию, усовершенствовал ряд астрономических приборов, оснастивших лабораторию. В конце жизни Ремер много сил и времени отдавал государственным делам будучи главой Государственного Совета.

Выдающийся вклад в развитие теоретической оптики, в теорию света был сделан голландским ученым Христианом Гюйгенсом, чье имя увековечено наименованием одного из основополагающих принципов оптической теории – "принципа Гюйгенса".

Х. Гюйгенс родился в Гааге в знатной и богатой семье. Математика и физика увлекала Христиана с детства, однако он получил юридическое образование в Лейденском и Бредском университетах. Математикой Гюйгенс, видимо, занимался самостоятельно. Его наставником в этом деле был известный голландский математик того времени Ван-Шотен. В 1651 году, когда Гюйгенсу было всего 22 года, он написал свой первый трактат по математике "Теоремы о квадратуре гиперболы эллипса и круга и центра тяжести их частей”.

После окончания университета Гюйгенс занимается дипломатической работой, затем едет во Францию, поступает в Анжерский протестантский университет, получает диплом доктора права. Но возвратившись в Голландию, он перестает заниматься юриспруденцией и целиком посвящает себя астрономии, механике, математике и оптике.

Написанный им в 1657г. трактат “О расчетах при азартной игре” стал одной из первых работ по зарождавшейся теории вероятностей.

На протяжении всей жизни Гюйгенс занимался изготовлением оптических систем. Страсть к шлифовке стекол пришла к нему еще в молодости. Гюйгенс изобрел шлифовальный станок для изготовления линз и создал зрительные трубы хорошего качества, позволившие ему открыть “кольцо Сатурна”. В своих зрительных трубах, имевших большое увеличение, Гюйгенс применил схему окуляра, который теперь носит его имя – “окуляр Гюйгенса”. Чтобы объявить о своем открытии кольца, или как он полагал спутника (“луны”) Сатурна, Гюйгенс, согласно тогдашнему обычаю, послал к известным астрономам загадку (анаграмму), составленную из букв, которые образовывали следующую фразу: Saturno luna circumducitur diebus sexdecim, horas quatuor, то есть: “Сатурн сопровождается луной, которая обращается вокруг него в шестнадцать дней и четыре часа”. Он вырезал на объективе своей подзорной трубы эту загадку и слова, служившие ей отгадкой.

Кроме кольца Сатурна Гюйгенс обнаружил “шапки” на Марсе, туманности в созвездии Ориона, полосы на Юпитере. Астрономические наблюдения требовали точных приборов для измерения времени. Хорошие часы нужны были и голландским морякам. Гюйгенс в связи с этим изобретает часы с маятником (патент от 1657г.). Идея часов с маятником принадлежит, как мы уже упоминали, Галилею, но реализовать ее удалось Гюйгенсу. Историки считают, что Гюйгенс пришел к своему изобретению независимо от Галилея. В трактате “Маятниковые часы” (1658г.) Гюйгенс изложил теорию математических и физических маятников, дал формулу для расчета периода колебаний маятника.

Астрономические исследования Гюйгенса и изобретение маятниковых часов сделали его имя известным по всей Европе. В 1663г. Гюйгенс был избран первым иностранным членом Лондонского королевского общества, а в 1665г. его приглашают в Париж в качестве почетного члена Академии наук Франции. В Париже Гюйгенс пробыл 16 лет (1665-1681гг.). Франция стала его второй родиной. Здесь он завязывает международные научные связи, поддерживает контакты с Бойлем, Гуком, Ньютоном, Лейбницем.

В связи с начавшимся во Франции враждебными действиями католиков против протестантов (Гюйгенс был протестантом), он уезжает на родину, несмотря на уговоры Людовика XIV остаться. Гюйгенс считал себя в науке продолжателем Галилея и Торричелли, теории которых он, по его собственному выражению “подтверждал и обобщал”.

Шедевром Гюйгенса в области механики является его произведение “Качающиеся часы, или о движении маятника”. В этой работе, опубликованной в 1673г., приводится описание маятниковых часов, движения тел по циклоиде, развертка и определение длин кривых линий, определение центра колебаний, описание устройства часов с круговым маятником, изложение теоремы о центробежной силе.

С 1659г. Гюйгенс работал над трактатом “О центробежной силе”, опубликованном посмертно в 1703г. В нем Гюйгенс изложил законы, определяющие центробежную силу. Идея о центробежной силе впервые четко выражена Гюйгенсом в его письме к секретарю Лондонского Королевского общества от 4 сентября 1669г. Эта идея была зашифрована в виде анаграммы.

Вывод формулы для центробежной силы имел огромное значение в развитии механики. Когда Ньютона спрашивали, что нужно прочесть, чтобы понимать его работы, он прежде всего указывал на сочинения Гюйгенса.

Большое значение в развитии динамики имеет труд Гюйгенса “О движении тел под влиянием удара”, законченный в 1656г, но опубликованный в 1700г. Гюйгенс рассматривает задачи об упругом соударении тел на основе трех принципов – принципа инерции, принципа относительности и принципа сохранения суммы произведений каждого “тела” на квадрат его скорости до и после удара - эту величину Лейбниц назвал “живой силой” и противопоставил “мертвой силе”, или потенциальной энергии. “Живая сила”, как мы теперь знаем, отражает кинетическую энергию, формула для расчета которой была получена Густавом Кориолисом (1792-1843). Формула Кориолиса которая отличается от формулы “живой силы” Гюйгенса и Лейбница множителем?.

Начиная примерно с 1675г. Гюйгенс целиком занят проблемами оптики. Его работы в этой области обобщены в “Трактате о свете”, изданном в Лейдене (1690г.). В нем он впервые изложил стройную волновую теорию света. Трактат состоит из 6 глав, в которых последовательно рассматривается прямолинейность распространения света, отражение, преломление, атмосферная рефракция, двойное лучепреломление и, наконец, форма линз. Критикуя позиции сторонников корпускулярной теории (в частности, невозможность объяснить с помощью этой теории, почему пересекающиеся пучки лучей не взаимодействуют, если они состоят из отдельных частиц), Гюйгенс приходит к выводу: “Нельзя сомневаться, что свет состоит в движении какого-то вещества”. Гюйгенс, приняв за аксиому существование этого гипотетического вещества, рассматривает механизм распространения света.

Гюйгенс выдвинул принцип волнового распространения света, заключающуюся в том, что каждая точка среды распространения света, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Этот принцип, носящий имя Гюйгенса, рассмотрен им на примере пламени свечи (рис.9).

Рис.9.Принцип Гюйгенса на примере пламени свечи

Точки А, В, С пламени сообщают движение окружающей среде – эфиру, то есть создают волну. В свою очередь каждая точка эфира как только до нее находит возмущение, сама становится центром новой волны. Таким образом, волновое движение распространяется от точки к точке. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность – волновой фронт. Предложенный Гюйгенсом принцип формирования волнового фронта позволил блестяще объяснить законы отражения и преломления, при этом принцип Гюйгенса приводит к принципу Ферма, но доказательство Гюйгенса значительно проще.

Уязвимым местом теории распространения света Гюйгенса явилось не вполне удовлетворительное объяснение прямолинейности распространения света. Это объяснение Гюйгенс делает по аналогии с упругим ударом о группу шаров. Он пишет: “Если взять огромное количество одинаковых по величине шаров из очень твердого вещества, расположить их по прямой линии так, чтобы они соприкасались друг с другом, то всякий раз, как такой шар ударит первый из них, движение распространится в одно мгновение к последующему шару, который отделится от ряда так, что никто не заметит, как другие шары также пришли в движение, а тот, который произвел удар, останется неподвижным… Таким образом, обнаруживается передача движения с необыкновенной скоростью, которая тем больше, чем тверже вещество шаров”. Для того, чтобы такой механизм передачи возмущений в эфире был реализуем, эфир необходимо наделить абсолютной твердостью и одновременно свойством проникновения во все тела.

При выдвижении своего принципа Гюйгенс исходил из аналогии со звуком и считал волновые колебания эфира продольными, то есть совпадающими по направлению с распространением волны. Но если принять характер колебания эфира продольным, то ряд эффектов, возникающих в двулучепреломляющих кристаллах, не поддаются объяснению. Эти эффекты объяснялись, если принять гипотезу Гука о поперечности световых волн.

Как мы видим, в оптике XVII века господствовали механические представления. Физики того времени, как правило, были одновременно механиками и оптиками. Особенно это характерно для творчества Роберта Гука – величайшего английского физика.

Гук вышел из семьи духовенства. Его отец хотел видеть Роберта пастором, но уже в ранние годы Гук обнаружил замечательные способности к математике и механике и был отдан на обучение к часовому мастеру, а затем в Оксфордский университет. В возрасте 24 лет он работает ассистентом у Бойля, а в 1662г. Гук приглашается на должность “куратора опытов” в Королевское научное общество. Вскоре Гук становится членом Королевского общества, а в 1667г. – секретарем его.

Лондонское Королевское научное общество того времени обсуждало не только теоретические, но и сугубо практические вопросы. Так, например, 18 марта 1663г. Обществом было одобрено предложение о разведении в Англии картофеля, чтобы “предотвратить в будущем возможность голода”. Клубни картофеля были переданы членам общества для разведения, несколько картофелин получил и Гук.

После сильнейшего пожара, произошедшего в Лондоне в 1666г., Королевскому обществу было поручено разработать план новой застройки. Свой план представил и Гук, но он не был принят, хотя инспектором застройки стал именно Гук. Лондон восстанавливался по плану замечательного архитектора Рена – создателя знаменитого собора Петра и Павла в Лондоне. Должность инспектора застройки Лондона приносила, по-видимому, немалые доходы. После смерти Гука в 1670г. в его кабинете был обнаружен железный ящик, в котором содержалось несколько тысяч фунтов стерлингов.

Гук оставил неоценимое научное наследие. Имя Гука связано с фундаментальным законом, устанавливающим зависимость между механическими напряжениями в упругом теле и вызываемыми ими деформациями. Этот закон Гук опубликовал в 1678г. в виде анаграммы из 14 букв, перевести которую можно так: “Какова сила – таково растяжение”. Закон Гука является основополагающим в науках о сопротивлении материалов.

Гук усовершенствовал многие измерительные приборы: воздушный насос (вместе с Бойлем), барометр с круговой шкалой, анемометр (прибор для измерения силы ветра) и многие другие.

В области оптики выдающееся значение имеет усовершенствование Гуком микроскопа. Изобретение микроскопа приписывают голландскому очковому мастеру Захарию Янсену. Однако для научных исследований микроскоп впервые использовал Гук. Устройство микроскопа описано им в книге “Микрография” (1665г.). С помощью микроскопа Гук увидел клетки тканей организмов. Само слово “клетка” введено именно Гуком. Значение “Микрографии” Гука далеко выходит за пределы проблем, связанных с микроскопом. Гук излагает в этой, получившей особую известность книге, свои представления о природе света, опыты по определению упругости воздуха, астрономические наблюдения, наблюдения тонких слоев (мыльные пузыри, масляные пленки и т.п.), помещенных в световой пучок.

Гук вплотную приблизился к открытию закона всемирного тяготения. В 1674г. в работе “Попытка доказать движение Земли наблюдениями” Гук выдвинул три важнейших предположения, суть которых в следующем.

Во-первых, существует сила притяжения, которой обладают все небесные тела, и эта сила направлена к центру тела.

Во-вторых, Гук следует Галилею в вопросе о законе инерции.

В-третьих, силы притяжения, по Гуку, увеличиваются по мере приближения к притягивающему телу.

В 1679г. Гук указывал, что, если притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния, то формой орбиты планет является эллипс. Это предположение Гук сделал в своем письме к Ньютону в Кембридж и предложил его для обсуждения.

В ответном письме Ньютон выразил сожаление, что в его возрасте (Ньютону было тогда 37 лет) трудно заниматься математикой и его более интересуют средневековые алхимические рецепты изготовления золота. Как выяснилось позднее, Ньютон тогда уже был близок к открытию закона всемирного тяготения или даже открыл его, но не спешил с публикациями.

Биографы отмечают неуживчивый характер Р.Гука, его посягательства на научные приоритеты Х.Гюйгенса, Ф. Гримальди, И.Ньютона. Но до своей кончины Гук пользовался глубочайшим уважением ученых Англии и всей Европы.

Голландский физик, механик, математик и астроном.

«Крупнейшее математическое открытие Гюйгенса - уравнение колебаний маятника. Это было первое дифференциальное уравнение в истории математики и первое уравнение механики, решениями которого оказались тригонометрические функции.
На основе полученного уравнения Гюйгенс построил точные часы с маятником и доказал, что период колебаний маятника зависит только от его длины и от ускорения свободного падения g в данной точке - на Земле или на другой планете.
Это свойство в XVII веке позволило физикам экспериментально выяснить отклонение формы Земли от шара, а позднее применялось при разведке металлических руд (они имеют повышенную плотность, поэтому вблизи месторождения ускорение свободного падения увеличивается)».

Смирнов С.Г., Задачник по истории науки. От Фалеса до Ньютона, М., «Мирос», 2001 г., с. 280.

В 1657 году Христиан Гюйгенс изобрёл маятниковые часы с механизмом спуска, благодаря которому колебания маятника не затухали. В этом же году он написал трактат: О расчётах при азартных играх / De ratiociniis in ludo aleae – одну из первых работ по теории вероятностей. Его конструкцию часов осуществляла движение центра тяжести маятника по циклоиде - так, чтобы время его качания не зависело от величины размаха.

Основоположник современного учения о теоретической механике Христиан Гюйгенс появился на свет 14 апреля 1629 года в Гааге. Основы математики и механики Гюйгенс получил на лекциях профессора Франса ван Схотена в Лейденском университете. Первая научная работа молодого учёного вышла из печати в 1651 году и называлась «Рассуждения о квадратуре гиперболы, эллипса и круга». Большое практическое значение имели работы Гюйгенса в сфере точных наук - описание основ теории вероятностей, математической теории чисел и различных кривых, волновой теории света. Первым в Голландии он получил патент на маятниковые часы. Это показывает широту научного мировоззрения Христиана Гюйгенса.

Если твой наставник - Декарт, тебе суждено стать гением

Широта интересов Гюйгенса поражает. За время научной деятельности он написал десятки серьезных научных трудов в механике и математике и физике. Признавая заслуги великого голландца в познании окружающего мира и постановке существовавших в то время взглядов на научную основу, королевское научное сообщество оказало Христиану Гюйгенсу честь, избрав его в 1663 году своим членом — первым из иностранных учёных. В 1666 году основали свою академию наук французы. Первым президентом французского научного сообщества стал Гюйгенс.

Одной из многочисленных отраслей науки, обогащенных трудами голландского естествоиспытателя, стала астрономия. Огромное влияние на взгляды юного Христиана оказала дружба его отца, Константина Гюйгенса, с основателем философской теории картезианства Рене Декартом. Гюйгенс увлёкся астрономическими исследованиями. С помощью брата он переделал домашний телескоп таким образом, чтобы достичь максимально возможного увеличения - 92х.

Марс, Сатурн, и дальше, дальше…

Первое же астрономическое открытие Гюйгенса стало научной сенсацией. В 1655 году, наблюдая в телескоп окрестности Сатурна, астроном заметил те же странности, на которые указывал в своих трудах Галилео Галилей. Но итальянец не смог дать чёткое обоснование этого явления. Гюйгенс же правильно определил, что это скопления льда различных размеров, окружающие планету и не покидающие орбиту Сатурна под действием её гигантского притяжения. Рассмотрел Гюйгенс в свой телескоп и спутник Сатурна, названный впоследствии Титаном. Спустя четыре года учёный систематизировал свои открытия колец на орбите Сатурна в научном труде.

1656-й год. Сфера астрономических интересов Гюйгенса впервые выходит далеко за пределы Солнечной системы. Объектом наблюдений становится открытая за 45 лет до этого французом Николя де Перейском туманность в созвездии Ориона. Сегодня туманность Ориона классифицирована в астрономических каталогах под наименованием Мессье 42 (NGC1976). Гюйгенс сделал первичную классификацию объектов туманности и вычисление астрономических координат, начал расчёты размеров туманности и расстояния до Земли.

Спустя пятнадцать лет голландец возвратился к астрономическим наблюдениям. Объектом его внимания стала Красная планета. Наблюдая в телескоп Южный полюс Марса, Гюйгенс установил, что он покрыт ледяной шапкой. Уже тогда астрономы были уверены, что на Марсе могут быть определённые условия для существования живых организмов. Астроном довольно точно вычислил период обращения планеты вокруг собственной оси.

Мирозрение Гюйгенса

Последним научным трудом в области астрономии стала статья, опубликованная уже после его смерти, в 1698 году в Гааге. Трактат является компиляцией философии и астрономии в попытке понимания основных физических законов существования и устройства Вселенной. Гюйгенс одним из первых европейских учёных выдвинул гипотезу населённости разумными существами других объектов вне Земли. Посмертный научный труд Гюйгенса был переведён на английский, французский, немецкий и шведский языки. Научное завещание Христиана Гюйгенса по личному указу императора Петра I в 1717 году перевёл на русский язык Яков (Джеймс) Брюс. Русскому научному сообществу труд известен как «Книга мирозрения» .

Подытоживая многолетние наблюдения за различными объектами Вселенной, Гюйгенс сделал попытку подвести научную основу под существование гелиоцентрической системы Коперника, а также научиться вычислять истинные расстояния до звезд и туманностей на основании их видимой яркости.

Как и у других крупнейших учёных средневековья, у Гюйгенса были талантливые ученики. Наиболее известен из них немецкий математик Готфрид Лейбниц.

Христиан Гюйгенс скончался в Гааге 8 июля 1695 года в возрасте 66 лет. Современники высоко оценили научные достижения знаменитого голландца в области астрономии. В 1997 году к открытому им спутнику Сатурна Титану стартовал зонд Европейского космического агентства, названный его именем. Миссия космического аппарата была столь же удачной, сколь долгой и богатой научными открытиями была жизнь Христиана Гюйгенса.

Биография

Христиан Гюйгенс - нидерландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель.

Один из основоположников теоретической механики и теории вероятностей. Внёс значительный вклад в оптику, молекулярную физику, астрономию, геометрию, часовое дело. Открыл кольца Сатурна и Титан (спутник Сатурна). Первый иностранный член Лондонского королевского общества (1663), член Французской академии наук с момента её основания (1666) и её первый президент (1666-1681).

Гюйгенс родился в Гааге в 1629 году. Отец его Константин Гюйгенс (Хёйгенс), тайный советник принцев Оранских, был замечательным литератором, получившим также хорошее научное образование. Константин был другом Декарта, и декартовская философия (картезианство) оказала большое влияние не только на отца, но и на самого Христиана Гюйгенса.

Молодой Гюйгенс изучал право и математику в Лейденском университете, затем решил посвятить себя науке. В 1651 году опубликовал «Рассуждения о квадратуре гиперболы, эллипса и круга». Вместе с братом он усовершенствовал телескоп, доведя его до 92-кратного увеличения, и занялся изучением неба. Первая известность пришла к Гюйгенсу, когда он открыл кольца Сатурна (Галилей их тоже видел, но не смог понять, что это такое) и спутник этой планеты, Титан.

В 1657 году Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. В последние годы жизни этот механизм пытался создать Галилей, но ему помешала прогрессирующая слепота. Часы Гюйгенса реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода. Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Сконструированные Гюйгенсом точные и недорогие часы с маятником быстро получили широчайшее распространение по всему миру. В 1673 году под названием «Маятниковые часы» вышел чрезвычайно содержательный трактат Гюйгенса по кинематике ускоренного движения. Эта книга была настольной у Ньютона, который завершил начатое Галилеем и продолженное Гюйгенсом построение фундамента механики.

В 1661 году Гюйгенс совершил поездку в Англию. В 1665 году по приглашению Кольбера поселился в Париже, где в 1666 году была создана Парижская Академия наук. По предложению того же Кольбера Гюйгенс стал её первым президентом и руководил Академией 15 лет. В 1681 году, в связи с намеченной отменой Нантского эдикта, Гюйгенс, не желая переходить в католицизм, вернулся в Голландию, где продолжил свои научные исследования. В начале 1690-х годов здоровье учёного стало ухудшаться, он умер в 1695 году. Последним трудом Гюйгенса стал «Космотеорос», в нём он аргументировал возможность жизни на других планетах.

Научная деятельность

Лагранж писал, что Гюйгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея».

Математика

Научную деятельность Христиан Гюйгенс начал в 1651 году сочинением о квадратуре гиперболы, эллипса и круга. В 1654 году он разработал общую теорию эволют и эвольвент, исследовал циклоиду и цепную линию, продвинул теорию непрерывных дробей.

В 1657 году Гюйгенс написал приложение «О расчётах в азартной игре» к книге его учителя ван Схоотена «Математические этюды». Это было первое изложение начал зарождающейся тогда теории вероятностей. Гюйгенс, наряду с Ферма и Паскалем, заложил её основы, ввёл фундаментальное понятие математического ожидания. По этой книге знакомился с теорией вероятностей Якоб Бернулли, который и завершил создание основ теории.

Механика

В 1657 году Гюйгенс издал описание устройства изобретённых им часов с маятником. В то время учёные не располагали таким необходимым для экспериментов прибором, как точные часы. Галилей, например, при изучении законов падения считал удары собственного пульса. Часы с колесами, приводимыми в движение гирями, были в употреблении с давнего времени, но точность их была неудовлетворительна. Маятник же со времен Галилея употребляли отдельно для точного измерения небольших промежутков времени, причём приходилось вести счёт числу качаний. Часы Гюйгенса обладали хорошей точностью, и учёный далее неоднократно, на протяжении почти 40 лет, обращался к своему изобретению, совершенствуя его и изучая свойства маятника. Гюйгенс намеревался применить маятниковые часы для решения задачи определения долготы на море, но существенного продвижения не добился. Надёжный и точный морской хронометр появился только в 1735 году (в Великобритании).

В 1673 году Гюйгенс опубликовал классический труд по механике «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica»). Скромное название не должно вводить в заблуждение. Кроме теории часов, сочинение содержало множество первоклассных открытий в области анализа и теоретической механики. Гюйгенс также проводит там квадратуру ряда поверхностей вращения. Это и другие его сочинения имели огромное влияние на молодого Ньютона.

В первой части труда Гюйгенс описывает усовершенствованный, циклоидальный маятник, который обладает постоянным временем качания независимо от амплитуды. Для объяснения этого свойства автор посвящает вторую часть книги выводу общих законов движения тел в поле тяжести - свободных, движущихся по наклонной плоскости, скатывающихся по циклоиде. Надо сказать, что это усовершенствование не нашло практического применения, поскольку при малых колебаниях повышение точности от циклоидального привеса незначительно. Однако сама методика исследования вошла в золотой фонд науки.

Гюйгенс выводит законы равноускоренного движения свободно падающих тел, основываясь на предположении, что действие, сообщаемое телу постоянной силой, не зависит от величины и направления начальной скорости. Выводя зависимость между высотой падения и квадратом времени, Гюйгенс делает замечание, что высоты падений относятся как квадраты приобретенных скоростей. Далее, рассматривая свободное движение тела, брошенного вверх, он находит, что тело поднимается на наибольшую высоту, потеряв всю сообщенную ему скорость, и приобретает её снова при возвращении обратно.

Галилей допускал без доказательства, что при падении по различно наклонным прямым с одинаковой высоты тела приобретают равные скорости. Гюйгенс доказывает это следующим образом. Две прямые разного наклонения и равной высоты приставляются нижними концами одна к другой. Если тело, спущенное с верхнего конца одной из них, приобретает большую скорость, чем пущенное с верхнего конца другой, то можно пустить его по первой из такой точки ниже верхнего конца, чтобы приобретенная внизу скорость была достаточна для подъёма тела до верхнего конца второй прямой; но тогда бы вышло, что тело поднялось на высоту, большую той, с которой упало, а этого быть не может. От движения тела по наклонной прямой Гюйгенс переходит к движению по ломаной линии и далее к движению по какой-либо кривой, причём доказывает, что скорость, приобретаемая при падении с какой-либо высоты по кривой, равна скорости, приобретаемой при свободном падении с той же высоты по вертикальной линии, и что такая же скорость необходима для подъёма того же тела на ту же высоту как по вертикальной прямой, так и по кривой. Затем, переходя к циклоиде и рассмотрев некоторые геометрические свойства её, автор доказывает таутохронность движений тяжелой точки по циклоиде.

В третьей части сочинения излагается теория эволют и эвольвент, открытая автором ещё в 1654 году; здесь он находит вид и положение эволюты циклоиды. В четвёртой части излагается теория физического маятника; здесь Гюйгенс решает ту задачу, которая не давалась стольким современным ему геометрам, - задачу об определении центра качаний. Он основывается на следующем предложении:

Если сложный маятник, выйдя из покоя, совершил некоторую часть своего качания, большую полуразмаха, и если связь между всеми его частицами будет уничтожена, то каждая из этих частиц поднимется на такую высоту, что общий центр тяжести их при этом будет на той высоте, на которой он был при выходе маятника из покоя. Это предложение, не доказанное у Гюйгенса, является у него в качестве основного начала, между тем как теперь оно представляет простое следствие закона сохранения энергии.

Теория физического маятника дана Гюйгенсом вполне в общем виде и в применении к телам разного рода. Гюйгенс исправил ошибку Галилея и показал, что провозглашённая последним изохронность колебаний маятника имеет место лишь приближённо. Он отметил также ещё две ошибки Галилея в кинематике: равномерное движение по окружности связано с ускорением (Галилей это отрицал), а центробежная сила пропорциональна не скорости, а квадрату скорости.

В последней, пятой части своего сочинения Гюйгенс дает тринадцать теорем о центробежной силе. Эта глава даёт впервые точное количественное выражение для центробежной силы, которое впоследствии сыграло важную роль для исследования движения планет и открытия закона всемирного тяготения. Гюйгенс приводит в ней (словесно) несколько фундаментальных формул:

Астрономия

Гюйгенс самостоятельно усовершенствовал телескоп; в 1655 году он открыл спутник Сатурна Титан и описал кольца Сатурна. В 1659-м он описал всю систему Сатурна в изданном им сочинении.

В 1672 году он обнаружил ледяную шапку на Южном полюсе Марса. Он открыл также туманность Ориона и другие туманности, наблюдал двойные звёзды, оценил (довольно точно) период вращения Марса вокруг оси.

Последняя книга «ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae» (на латинском языке; опубликована посмертно в Гааге в 1698 году) - философско-астрономическое размышление о Вселенной. Полагал, что другие планеты также населены людьми. Книга Гюйгенса получила широчайшее распространение в Европе, где была переведена на английский (1698), голландский (1699), французский (1702), немецкий (1703), русский (1717) и шведский (1774) языки. На русский язык по указу Петра I была переведена Яковом Брюсом под названием «Книга мирозрения». Считается первой в России книгой, где излагается гелиоцентрическая система Коперника.

В этом труде Гюйгенс сделал первую (наряду с Джеймсом Грегори) попытку определить расстояние до звёзд. Если предположить, что все звёзды, включая Солнце, имеют близкую светимость, то, сравнивая их видимую яркость, можно грубо оценить отношение расстояний до них (расстояние до Солнца было тогда уже известно с достаточной точностью). Для Сириуса Гюйгенс получил расстояние в 28000 астрономических единиц, что примерно в 20 раз меньше истинного (опубликовано посмертно, в 1698 году).

Оптика и теория волн

Гюйгенс участвовал в современных ему спорах о природе света. В 1678 году он выпустил «Трактат о свете» - набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал «принцип Гюйгенса», позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем и сыгравший важную роль в волновой теории света. Открыл поляризацию света (1678).

Ему принадлежит оригинальное усовершенствование телескопа, использованного им в астрономических наблюдениях и упомянутого в параграфе об астрономии, он изобрел «окуляр Гюйгенса», состоящий из двух плосковыпуклых линз (используется и в наши дни). Также он является изобретателем диаскопического проектора - т. н. «волшебного фонаря».

Другие достижения

Гюйгенс обосновал (теоретически) сплюснутость Земли у полюсов, а также объяснил влияния центробежной силы на направление силы тяжести и на длину секундного маятника на разных широтах. Он дал решение вопроса о соударении упругих тел, одновременно с Валлисом и Реном (опубликовано посмертно) и одно из решений вопроса о виде тяжелой однородной цепи, находящейся в равновесии (цепная линия).

Ему принадлежит изобретение часовой спирали, заменяющей маятник, крайне важное для навигации; первые часы со спиралью были сконструированы в Париже часовым мастером Тюре в 1674 году. в 1675 году запатентовал карманные часы.

Гюйгенс первым призвал выбрать всемирную натуральную меру длины, в качестве которой предложил 1/3 длины маятника с периодом колебаний 1 секунда (это примерно 8 см).

Основные труды

Horologium oscillatorium, 1673 (Маятниковые часы, на латинском).
Kosmotheeoros. (английский перевод издания 1698 года) - астрономические открытия Гюйгенса, гипотезы об иных планетах.
Treatise on Light (Трактат о свете, английский перевод).

Гюйгенс Христиан (1629-1695), нидерландский физик, математик, механик, астроном.

Родился 14 апреля 1629 г. в Гааге. В 16 лет поступил в университет Лейдена, через два года продолжил обучение в университете города Бреда. В основном жил в Париже; был членом Парижской академии наук.

Гюйгенс стал известен как блестящий математик. Однако судьба распорядилась так, что он был современником И. Ньютона, а значит, всегда находился в тени чужого таланта. Гюйгенс явился одним из разработчиков механики после Галилея и Декарта. Ему принадлежит первенство в создании маятниковых часов со спусковым механизмом. Он сумел решить задачу об определении центра колебания физического маятника, установить законы, определяющие центростремительную силу. Он также исследовал и вывел закономерности столкновения упругих тел.

Раньше Ньютона Гюйгенс разработал волновую теорию света. Принцип Гюйгенса (1678 г.) - открытый им механизм распространения света - применим и в наши дни. Опираясь на свою теорию света, Гюйгенс объяснил ряд оптических явлений, с большой точностью измерил геометрические характеристики исландского шпата и обнаружил в нём двойное лучепреломление, затем это же явление увидел в кристаллах кварца. Гюйгенс ввёл понятие «ось кристалла», обнаружил поляризацию света. С большим успехом работал он в области оптики: значительно усовершенствовал телескоп, сконструировал окуляр, ввёл диафрагмы.

Являясь одним из создателей Парижской обсерватории, внёс значительный вклад в астрономию - открыл 8 кольцо Сатурна и Титан, один из самых больших спутников в Солнечной системе, различил полярные шапки на Марсе и полосы на Юпитере. Учёный с большим интересом конструировал так называемую планетарную машину (планетарий) и создавал теорию фигуры Земли. Первым подошёл к заключению, что Земля сжата возле полюсов, и высказал идею измерять силу тяжести с помощью секундного маятника. Гюйгенс вплотную подошёл к открытию закона всемирного тяготения. Его математическими методами в науке пользуются и сегодня.