Az optika különleges helyet foglal el a tudományban, már csak azért is, mert a „fény” makroszkópikus és mikroszkopikus fogalom is, az optika érdeklődési köre, módszerei a megavilágtól a mikrovilágig, az Univerzumtól a mikrorészecskékig terjednek, és tudományos következtetések, amelyek akár a az optikai jelenségek tanulmányozása vagy optikai módszerek és eszközök segítségével nem egyszer változtattak a világ felépítéséről alkotott elképzeléseiken, vagyis ideológiai jellegük volt és van.

Már a tudomány fejlődésének első szakaszában, a mitológia és a filozófia korszakában, még az instrumentális optika megjelenése előtt is jelentős szerepet játszott a világkép kialakításában a fény, a látás és a Nap gondolata. Volt egy mitologikus, fantasztikus „optika”, amelyben a Napot istenítették, és keveredett a látás és a fény fogalma. A fényről és a látásról alkotott elképzelések azonossága egészen a 17. századig megmaradt. A tudomány olyan területeken elért kiemelkedő sikerei fényében, mint a geodézia, a csillagászat, a matematika és a mechanika, a fény doktrínája a modern felfogás szerint abszurd volt. Ez bizonyos mértékig a tárgyakról képet adó optikai műszerek hiányával magyarázható. Az első optikai rendszer, amely „elválasztotta” a fényt a látástól, a camera obscura volt, amelyet már említettünk. A kamera által biztosított kép a szemtől külön létezett. Amint megjelentek a képeket létrehozó optikai rendszerek, az optika, mint a látás tudománya (eredeti értelemben) kezdett átalakulni a fény tudományává, vagy tágabb értelemben a sugárzás, annak terjedése és az anyaggal való kölcsönhatás tudományává. Az optikai műszergyártás a technikában jelent meg, és a mai napig megteremti a feltételeket a tudomány és a technológia számos ágának fejlődéséhez.

Az optikai kísérletek új szintre emelték az elméleti problémákat az optika területén, amelyek közül a legfontosabbak a fény természetének és terjedési sebességének problémái. E problémák megfogalmazásában és megoldásában előkelő helyet foglal el Francesco Grimaldi (1618-1663), Olaf Roemer (1644-1710), Christian Huygens (1629-1695), Robert Hooke (1635-1703).

Az optika vívmányai közül a 17. században. Feltűnő esemény volt, hogy Grimaldi olasz tudós felfedezte a diffrakciót.

Francesco Maria Grimaldi egy selyemkereskedő családjában született. Grimaldi fiatal korától csatlakozott a jezsuita rendhez, és évekig több olaszországi jezsuita iskolában és egyetemen tanult, majd ő maga tanított matematikát és filozófiát a bolognai jezsuita főiskolán. 1647-ben Grimaldi filozófiadoktori fokozatot kapott, 1651-ben pedig pappá szentelték.

Grimaldi a csillagászatból jutott el az optika kérdéseihez, amelyeket a híres olasz csillagász, G. Ricciolli hatására tanulmányozott. Grimaldi segített neki az „Új Almagest” című könyv kiadásának előkészítésében.

F. Grimaldi fő tudományos munkája, amelynek élete utolsó éveit szentelte, posztumusz, 1665-ben jelent meg. A „Fizikai és matematikai értekezés a fényről, a színekről és a szivárványról” című könyv egy kijelentéssel kezdődik a diffrakció felfedezéséről - a fény eltérüléséről, terjedésének egyenességének megszakításáról, amikor kölcsönhatásba lép egy akadály, például. kis lyukakon való áthaladáskor. A "diffrakció" kifejezést maga Grimaldi vezette be, és ma is használják. A diffrakció jelenségét Grimaldi fedezte fel, miközben keskeny sugárnyalábokkal végzett kísérleteket. Az egyik kísérlet diagramja a 7. ábrán látható.

7. ábra Grimaldi diffrakciós kísérletének diagramja

Sugárnyaláb – a napfény – halad át az AB lemezen lévő CD résen. A rés-CD-n áthaladó gerendák útjában egy másik GH rés található az EF lemezen. Kiderült, hogy a GH-n áthaladó sugarak egy kúpot alkotnak, melynek alapja az IK észrevehetően nagyobb, mint ami a geometriai konstrukciókból (NDM és LCO kúpok) következhetne. Ráadásul a képernyőn megfigyelt fényfoltok szélei Grimaldi leírása szerint piros és kékes színűek voltak, míg a központi folt fehér volt, "elárasztott tiszta fény". Grimaldi ezt a jelenséget azzal magyarázza, hogy a fényfolyadékban egy akadály mögött hullámok alakulnak ki, amelyek a lyuk mögé térnek el.

Sokáig nyitva maradt a fénysebesség kérdése. A kérdés tanulmányozásában figyelemreméltó esemény volt R. Descartes és P. Fermat vitája, amely elvezette Fermat a „legrövidebb idő” elvének megfogalmazásához a fény terjedésében. Fermat azon a véleményen volt, hogy a fény terjedése pillanatnyi, de az igazság szemcséjét az ókor óta ismert metafizikai kijelentésben kereste, miszerint a természet mindig a legrövidebb úton jár. De mi a legrövidebb út? Mint kiderült, nem ez a legközelebbi, nem a legkönnyebb, nem a legkisebb ellenállású, hanem a legrövidebb idejű út. Ezt az elvet Fermat-elvnek nevezik. Miután elfogadta a fénysebesség véges voltára és a közeg tulajdonságaitól való függésére vonatkozó hipotézist, kombinálva ezt a hipotézist a legrövidebb idő elvével, Fermat meglepetésére megkapta a fénytörés törvényét, amely egybeesett Descartes-szel. törvény. Fermat ennek a törvénynek egy inverz megfogalmazását is adta, miszerint ha a fénytörés Descartes törvényét követi, és ha a törésmutató megegyezik az első és második közegben lévő fénysebesség arányával, akkor egy közegből terjedő fény. egy másikra azt az utat követi, amelyen a legrövidebb a terjedési idő.

Pierre Fermat (1601-1665) neve is ismert tétele kapcsán, mely máig nem bizonyított. Fermat szakmáját tekintve ügyvéd volt, ügyvédként dolgozott Toulouse-ban, parlamenti tanácsadóként, és a matematika vágyott hobbija volt számára. Szerette olvasni az ókori tudósok munkáit. Az Alexandriai Diophantus Aritmetika margójára Fermat azt írta, hogy lehetetlen megoldani az egyenletet.

ahol n egy 2-nél nagyobb egész szám. Fermat ezt írja: „Elképesztő bizonyítékot találtam erre a sejtésre, de túl kevés a hely ahhoz, hogy ide tegyem.” A kiváló matematikusok erőfeszítései ellenére Fermat állításának általános formájú bizonyítékát nem találták meg, csak néhány speciális esetre sikerült.

Térjünk vissza a fénysebesség problémájához. Az akkori kísérleti technológiával a fénysebesség mérése lehetetlen volt. Ezért természetes volt a csillagászati ​​megfigyelések alkalmazása, vagyis olyan távolságok megfigyelései, amelyeknél a fény terjedési ideje elérhetővé válik a méréshez. A véges fénysebesség bizonyítéka Olaf Roemer dán tudósé.

Roemer Aarguzban született egy kereskedő családjában. A Koppenhágai Egyetemen tanult, ahol orvost, fizikát és csillagászatot tanult. 1671-ben Roemer elfogadta a felkérést, hogy a Párizsi Obszervatóriumban dolgozzon. Párizsban aktívan részt vesz számos technikai probléma megoldásában a precíz csillagászati ​​megfigyelések elvégzése során. Érdekes megjegyezni, hogy matematikát tanított a francia trónörökösnek. Itt, Párizsban Roemer bizonyította a fény véges sebességét a Jupiter egyik holdjának megfigyelésével. A megfigyelési sémát a 8. ábra mutatja.

8. ábra Roemer Jupiter műholdjának megfigyeléseinek sémája

Legyen A a Nap, B a Jupiter, D és C a Jupiter Io műholdjának helyzete, amely a C pontban belép az árnyékba, és a D pontban emelkedik ki az árnyékból; K, L, G, F – megfigyelési pontok a Föld pályájáról, EH – a Föld Napon áthaladó pályájának átmérője. Amikor a Föld eltávolodik a Jupiter pályájáról, és L pontból K pontba mozog, a műhold árnyékának D pontban való elhagyásának pillanata annyival késik, ameddig a sugárzás továbbterjed L pontból K pontba. ellenkezőleg, az F pontból való mozgáskor G ponttal az árnyék elhagyásának pillanata közelebb lesz ugyanahhoz az intervallumhoz. Roemer számításai szerint a Föld keringési pályájának átmérőjével megegyező EH intervallumon 22 perc alatt kell áthaladni (a mai érték 16 perc 36 másodperc).

Roemer bemutatta elméletét a Párizsi Tudományos Akadémiának, de ez az elmélet erős ellenállásba ütközött az akadémiai környezetben, ahol a kartezianizmus dominált. Az akkori tudósok többsége, köztük I. Newton, H. Huygens, G.V. Leibniz osztotta Roemer nézeteit.

Hazatérése után Roemer első osztályú obszervatóriumot hozott létre, és számos csillagászati ​​műszert továbbfejlesztett, amelyek a laboratóriumot felszerelték. Élete végén Remer az Államtanács vezetőjeként sok energiát és időt fordított az államügyekre.

Kiemelkedően hozzájárult az elméleti optika és a fényelmélet fejlesztéséhez Christiaan Huygens holland tudós, akinek nevét az optikai elmélet egyik alapelvének neve – a „Huygens-elv” – örökíti meg.

H. Huygens Hágában született nemesi és gazdag családban. Christiant gyermekkora óta lenyűgözte a matematika és a fizika, de jogi diplomát szerzett a Leideni és Breda Egyetemen. Huygens láthatóan egyedül tanulta a matematikát. Mentora ebben a kérdésben az akkori híres holland matematikus, Van Schoten volt. 1651-ben, amikor Huygens mindössze 22 éves volt, megírta első matematikai értekezését: „Tételek az ellipszis és a kör hiperbolájának, valamint részeik súlypontjának kvadratúrájáról”.

Az egyetem elvégzése után Huygens diplomáciai munkával foglalkozott, majd Franciaországba ment, beiratkozott az Angers-i Protestáns Egyetemre, és jogi doktorátust kapott. De visszatérve Hollandiába, abbahagyta a jogászatot, és teljes egészében a csillagászatnak, a mechanikának, a matematikának és az optikának szentelte magát.

1657-ben írta. A „Számításokról a szerencsejátékban” című értekezés a kialakulóban lévő valószínűségelméletről szóló első munkák egyike lett.

Huygens egész életében optikai rendszerek gyártásával foglalkozott. Az üvegcsiszolás szenvedélye ifjúkorában támadt benne. Huygens feltalált egy csiszológépet lencsék készítésére, és jó minőségű teleszkópokat készített, amelyek lehetővé tették számára a „Szaturnusz gyűrűjének” felfedezését. Nagy nagyítású teleszkópjaiban Huygens egy olyan szemlencse-kialakítást használt, amely ma az ő nevét viseli – a „Huygens okulárt”. A gyűrű, vagy ahogyan ő hitte a Szaturnusz műholdját ("hold") felfedezésének bejelentésére Huygens az akkori szokás szerint rejtvényt (anagrammát) küldött a híres csillagászoknak, amely betűkből állt, amelyek a következő mondatot alkották. : Saturno luna circumducitur diebus sexdecim, horas quatuor, azaz: "A Szaturnusz kíséri a Holdat, amely tizenhat nap és négy óra alatt megkerüli." Ezt a rejtvényt és a válaszul szolgáló szavakat teleszkópja lencséjére faragta.

A Szaturnusz gyűrűjén kívül Huygens „sapkákat” fedezett fel a Marson, ködöket az Orion csillagképben és csíkokat a Jupiteren. A csillagászati ​​megfigyelésekhez pontos műszerekre volt szükség az idő mérésére. A holland tengerészeknek is jó karórákra volt szükségük. Ezzel kapcsolatban Huygens feltalál egy ingával ellátott órát (1657-ből származó szabadalom). Az ingával ellátott óra ötlete, amint már említettük, Galileié, de Huygensnek sikerült megvalósítania. A történészek úgy vélik, hogy Huygens Galileitól függetlenül jutott a találmányához. Huygens „Ingaórák” című értekezésében (1658) felvázolta a matematikai és fizikai ingák elméletét, és képletet adott az inga lengési periódusának kiszámítására.

Huygens csillagászati ​​kutatásai és az ingaóra feltalálása Európa-szerte ismertté tette nevét. 1663-ban Huygenst a Londoni Királyi Társaság első külföldi tagjává választották, és 1665-ben. meghívást kap Párizsba a Francia Tudományos Akadémia tiszteletbeli tagjává. Huygens 16 évig (1665-1681) tartózkodott Párizsban. Franciaország lett a második otthona. Itt épített ki nemzetközi tudományos kapcsolatokat, és tartott kapcsolatot Boyle-lal, Hooke-al, Newtonnal és Leibnizzel.

A katolikusok protestánsokkal szembeni Franciaországban kezdődő ellenségeskedése kapcsán (Huygens protestáns volt) XIV. Lajos maradásért folyamodó kérése ellenére hazájába távozik. Huygens Galilei és Torricelli tudományos utódjának tartotta magát, akiknek elméleteit saját szavai szerint „megerősítette és általánosította”.

Huygens mesterműve a mechanika területén „A lengő óra, avagy az inga mozgása” című munkája. Ez az 1673-ban megjelent mű ismerteti az ingaórákat, a testek cikloid mentén történő mozgását, a görbe vonalak kialakítását és hosszának meghatározását, a lengés középpontjának meghatározását, ismerteti az óra kialakítását egy köringa, és a centrifugális erőre vonatkozó tétel kijelentése.

1659 óta Huygens a „Centrifugális erőről” című értekezésen dolgozott, amely posztumusz, 1703-ban jelent meg. Ebben Huygens felvázolta a centrifugális erőt meghatározó törvényeket. A centrifugális erő gondolatát először Huygens fogalmazta meg egyértelműen a Londoni Királyi Társaság titkárához írt, 1669. szeptember 4-i levelében. Ezt az ötletet anagrammaként titkosították.

A centrifugális erő képletének levezetése nagy jelentőséggel bírt a mechanika fejlődésében. Amikor Newtont megkérdezték, mit olvasson, hogy megértse műveit, először Huygens műveire mutatott rá.

Huygens 1656-ban elkészült, de 1700-ban publikált „A testek mozgásáról a hatás hatása alatt” című munkája nagy jelentőséggel bír a dinamika fejlődésében. Huygens a testek rugalmas ütközésének problémáit három alapelv alapján vizsgálja - a tehetetlenség elve, a relativitás elve és az egyes „testek” szorzatainak összegének megőrzésének elve a sebesség négyzetével a test előtt és után. hatás - Leibniz ezt a mennyiséget „élő erőnek” nevezte, és szembeállította a „holt erővel”, vagyis a potenciális energiával. Az „élő erő”, mint ma már tudjuk, a kinetikus energiát tükrözi, amelynek képletét Gustavus Coriolis (1792-1843) találta meg. A Coriolis-képlet, amely egy tényezővel különbözik Huygens és Leibniz „élőerő” képletétől?

1675 körül kezdődik Huygenst teljes mértékben az optika problémái foglalkoztatták. Ezen a területen végzett munkáját a Leidenben (1690) megjelent „Treatise on Light” foglalja össze. Ebben először vázolta fel a fény harmonikus hullámelméletét. A dolgozat 6 fejezetből áll, amelyek egymás után vizsgálják a fényterjedés, a visszaverődés, a fénytörés, a légköri törés, a kettős törés és végül a lencsék alakjának egyenességét. Kritizálva a korpuszkuláris elmélet támogatóinak álláspontját (különös tekintettel arra, hogy ennek az elméletnek a segítségével nem lehet megmagyarázni, hogy az egymást metsző sugárnyalábok miért nem lépnek kölcsönhatásba, ha egyedi részecskékből állnak), Huygens arra a következtetésre jut: „Nincs kétség. hogy a fény valamilyen anyag mozgásából áll.” Huygens ennek a hipotetikus anyagnak a létezését axiómának tekintve a fény terjedésének mechanizmusát veszi figyelembe.

Huygens a fény hullámterjedési elvét terjesztette elő, amely abból áll, hogy a fényterjedés közegének minden pontja, amelyet a zavar elért, maga is másodlagos hullámok forrásává válik. Ezt a Huygensről elnevezett elvet a gyertyaláng példáján vizsgálta (9. kép).

9. ábra Huygens-elv a gyertyaláng példáján

A láng A, B, C pontjai mozgást kölcsönöznek a környezetnek - az éternek, azaz hullámot hoznak létre. Az éter minden pontja viszont, amint zavar lép fel előtte, maga válik egy új hullám középpontjává. Így a hullámmozgás pontról pontra terjed. Az összes másodlagos hullám felületi érintője egy hullámfelület - egy hullámfront. A Huygens által javasolt hullámfront kialakulásának elve lehetővé tette a visszaverődés és fénytörés törvényeinek briliáns magyarázatát, míg a Huygens-elv a Fermat-elvhez vezet, de a Huygens-féle bizonyítás sokkal egyszerűbb.

Huygens fényterjedési elméletének gyenge pontja a fényterjedés egyenes vonalúságának nem teljesen kielégítő magyarázata volt. Huygens ezt a magyarázatot a golyók csoportjára gyakorolt ​​rugalmas hatás analógiájával adja meg. Ezt írja: „Ha egy nagyon kemény anyagból nagyszámú azonos méretű golyót veszünk, egyenes vonalba rendezzük őket úgy, hogy érintkezzenek egymással, akkor valahányszor egy ilyen golyó eltalálja az elsőt, a mozgás szétterjed. egy pillanat alatt a következőre egy labda, amely úgy válik le a sorból, hogy senki sem fogja észrevenni, ahogy a többi golyó is elkezdett mozogni, és az ütést végző mozdulatlan marad... Így a A mozgás rendkívüli sebességgel mutatkozik meg, ami minél nagyobb, annál keményebb a golyók anyaga. Ahhoz, hogy az éterben a zavarok átvitelére szolgáló ilyen mechanizmus megvalósuljon, az étert abszolút keménységgel és egyben minden testbe való behatolás tulajdonságával kell felruházni.

Huygens elvének megfogalmazásakor a hanggal való analógiából indult ki, és az éter hullámrezgéseit longitudinálisnak, azaz a hullám terjedésével egybeesőnek tekintette. De ha elfogadjuk az éter rezgésének természetét longitudinálisnak, akkor a kettőstörő kristályokban fellépő hatások sora nem magyarázható. Ezek a hatások megmagyarázhatók, ha elfogadjuk Hooke hipotézisét a fényhullámok keresztirányú voltáról.

Mint látjuk, a 17. századi optikában a mechanikai fogalmak domináltak. Az akkori fizikusok általában mechanikusok és optikusok voltak. Ez különösen jellemző Robert Hooke, a legnagyobb angol fizikus munkásságára.

Hooke papi családból származott. Apja Robertet lelkészként akarta látni, de Hooke már korai éveiben figyelemre méltó matematikai és mechanikai képességekről tett tanúbizonyságot, és órásmesterhez, majd az Oxfordi Egyetemre küldték. 24 évesen Boyle asszisztenseként dolgozott, 1662-ben. Hooke-ot meghívták a Royal Scientific Society „kísérletek kurátora” posztjára. Hamarosan Hooke a Royal Society tagja lett, és 1667-ben. - a titkára.

A Londoni Királyi Tudományos Társaság akkoriban nemcsak elméleti, hanem pusztán gyakorlati kérdéseket is tárgyalt. Így például 1663. március 18. A társaság jóváhagyta azt a javaslatot, hogy burgonyát termesztenek Angliában, hogy „megelőzzék az éhínség lehetőségét a jövőben”. A burgonyagumókat a társaság tagjai kapták tenyésztésre, és Hooke is kapott több burgonyát.

Miután 1666-ban súlyos tűzvész történt Londonban, a Royal Society megbízást kapott egy új fejlesztés tervének kidolgozására. Hooke is bemutatta tervét, de azt nem fogadták el, pedig Hooke lett a fejlesztési felügyelő. Londont a figyelemre méltó építész, Wren, a híres londoni Péter és Pál-székesegyház megalkotója terve szerint restaurálták. A londoni épületfelügyelői állás láthatóan jelentős bevételt hozott. Hooke halála után 1670-ben. Az irodájában egy vasdobozt találtak, amelyben több ezer font sterling volt.

Hooke felbecsülhetetlen értékű tudományos örökséget hagyott hátra. Hooke nevéhez fűződik egy alaptörvény, amely megállapítja a kapcsolatot a rugalmas test mechanikai feszültségei és az általuk okozott deformációk között. Hooke 1678-ban publikálta ezt a törvényt. 14 betűből álló anagramma formájában, amely így fordítható: "Mi az erő, olyan a nyújtás." A Hooke-törvény alapvető fontosságú az anyagok szilárdságáról szóló tudományban.

Hooke számos mérőműszert továbbfejlesztett: egy légszivattyút (Boyle-lal együtt), egy mérőskálás barométert, egy anemométert (szélerő mérésére szolgáló eszköz) és még sok mást.

Az optika területén kiemelkedő jelentőségű a Hooke mikroszkóp fejlesztése. A mikroszkóp feltalálását Zachary Jansen holland szemüvegkészítőnek tulajdonítják. Azonban Hooke volt az első, aki mikroszkópot használt tudományos kutatásokhoz. A mikroszkóp szerkezetét a „Mikrográfia” (1665) című könyvében írta le. Hooke mikroszkóp segítségével látta az élőlények szöveteinek sejtjeit. Magát a „cella” szót Hooke vezette be. A Hooke-féle Micrographia jelentősége messze túlmutat a mikroszkóppal kapcsolatos problémákon. Hooke ebben a különösen híres könyvben fejti ki elképzeléseit a fény természetéről, a levegő rugalmasságának meghatározására irányuló kísérletekről, csillagászati ​​megfigyelésekről, fénysugárba helyezett vékony rétegek (szappanbuborékok, olajfilmek stb.) megfigyeléseiről.

Hooke nagyon közel került az egyetemes gravitáció törvényének felfedezéséhez. 1674-ben Hooke „Kísérlet a Föld mozgásának megfigyelésekkel bizonyítására” című munkájában három legfontosabb feltevést terjesztett elő, amelyek lényege a következő.

Először is, van egy vonzási erő, amellyel minden égitest rendelkezik, és ez az erő a test közepe felé irányul.

Másodszor, Hooke Galileót követi a tehetetlenség törvényének kérdésében.

Harmadszor, a vonzási erők Hooke szerint növekednek, ahogy az ember közeledik a vonzó testhez.

1679-ben Hooke rámutatott, hogy ha a vonzás fordítottan arányos a távolság négyzetével, akkor a bolygók pályájának alakja ellipszis. Hooke ezt a feltevést tette Newtonnak Cambridge-be írt levelében, és megvitatásra javasolta.

Newton válaszlevelében sajnálatát fejezte ki amiatt, hogy az ő korában (Newton akkor 37 éves volt) nehéz volt matematikailag tanulni, és jobban érdekelték az aranykészítés középkori alkímiai receptjei. Mint később kiderült, Newton már közel járt az egyetemes gravitáció törvényének felfedezéséhez, vagy akár felfedezte is, de nem sietett publikálni.

Az életrajzírók megjegyzik R. Hooke veszekedő természetét, H. Huygens, F. Grimaldi, I. Newton tudományos prioritásaiba való beavatkozását. De halála előtt Hooke a tudósok legmélyebb tiszteletét élvezte Angliában és egész Európában.

Holland fizikus, mechanikus, matematikus és csillagász.

"A legnagyobb matematikai felfedezés Huygens- az inga lengésének egyenlete. Ez volt az első differenciálegyenlet a matematika történetében és az első mechanikai egyenlet, amelynek megoldásai trigonometrikus függvények voltak.
A kapott egyenlet alapján Huygens pontos órát épített ingával, és bebizonyította, hogy az inga lengési periódusa csak a hosszától és a gravitáció g gyorsulásától függ egy adott pontban - a Földön vagy egy másik bolygón.
A 17. században ez a tulajdonság lehetővé tette a fizikusok számára, hogy kísérleti úton meghatározzák a Föld alakjának eltérését egy gömbtől, majd később fémércek feltárásánál használták (megnövelt sűrűségűek, így a lelőhely közelében megnő a gravitáció gyorsulása). ”

Smirnov S.G., Problémakönyv a tudománytörténetről. Thalestől Newtonig, M., Miros, 2001, p. 280.

1657-ben Christiaan Huygens feltalált egy menekülő mechanizmusú ingaórát, aminek köszönhetően nem haltak ki az inga lengései. Ugyanebben az évben írt egy értekezést: A számításokról a szerencsejátékban / De ratiociniis in ludo aleae – az egyik első valószínűségszámítási alkotás. Az óra kialakítása biztosította, hogy az inga súlypontja cikloid mentén mozogjon – így a lengés ideje Nem a fesztáv nagyságától függött.

Az elméleti mechanika modern tanának megalapítója, Christian Huygens 1629. április 14-én született Hágában. Huygens a matematika és a mechanika alapjait Frans van Schoten professzor előadásain sajátította el a Leideni Egyetemen. A fiatal tudós első tudományos munkája 1651-ben jelent meg, és „Beszédek hiperbola, ellipszis és kör négyzetre emeléséről” címet viselte. Huygensnek az egzakt tudományok területén végzett munkája nagy gyakorlati jelentőséggel bírt – a valószínűségszámítás alapjainak leírása, a számok és különféle görbék matematikai elmélete, valamint a fény hullámelmélete. Ő volt az első Hollandiában, aki szabadalmat kapott egy ingaórára. Ez mutatja Christian Huygens tudományos világképének szélességét.

Ha a mentorod Descartes, akkor zseni leszel

Huygens érdeklődési köre elképesztő. Tudományos pályafutása során több tucat komoly tudományos művet írt mechanika, matematika és fizika témakörben. Elismerve a nagy holland érdemeit az őt körülvevő világ megértésében és az akkoriban létező nézetek tudományos alapokra helyezésében, a királyi tudományos közösség 1663-ban – a külföldi tudósok közül elsőként – tagjává választotta Christian Huygenst. A franciák 1666-ban alapították meg Tudományos Akadémiájukat. Huygens lett a francia tudományos közösség első elnöke.

A holland természettudós munkái által gazdagított számos tudományág egyike a csillagászat volt. Apja, Constantin Huygens barátsága a kartezianizmus filozófiai elméletének megalapítójával, Rene Descartes-szal óriási hatással volt a fiatal keresztény nézeteire. Huygens érdeklődni kezdett a csillagászati ​​kutatások iránt. Testvére segítségével úgy módosította otthoni teleszkópját, hogy a lehető legnagyobb – 92-szeres – nagyítást érje el.

Mars, Szaturnusz és tovább, tovább...

Huygens első csillagászati ​​felfedezése tudományos szenzációvá vált. 1655-ben a Szaturnusz környékét távcsővel megfigyelve a csillagász ugyanazokat a furcsaságokat vette észre, amelyekre Galileo Galilei is rámutatott írásaiban. De az olasz nem tudott egyértelmű magyarázatot adni erre a jelenségre. Huygens helyesen állapította meg, hogy ezek a bolygót körülvevő különböző méretű jégfelhalmozódások, amelyek nem hagyják el a Szaturnusz pályáját a hatalmas gravitáció hatására. Huygens a Szaturnusz műholdját is megvizsgálta, amelyet később Titánnak neveztek el távcsövén keresztül. Négy évvel később a tudós tudományos munkában rendszerezte a Szaturnusz pályáján végzett gyűrűk felfedezését.

1656. évf. Huygens csillagászati ​​érdeklődési köre most először lépett túl a Naprendszeren. A megfigyelés tárgya a francia Nicolas de Pereysky által 45 évvel korábban felfedezett köd az Orion csillagképben. Ma az Orion-ködöt a csillagászati ​​katalógusok Messier 42 (NGC1976) néven sorolják be. Huygens elvégezte a köd objektumainak kezdeti osztályozását és a csillagászati ​​koordináták kiszámítását, valamint elkezdte kiszámítani a köd méretét és a Földtől való távolságát.

Tizenöt évvel később a holland visszatért a csillagászati ​​megfigyelésekhez. Figyelmének tárgya a Vörös Bolygó volt. A Mars déli sarkát távcsövön keresztül megfigyelve Huygens felfedezte, hogy azt jégsapka borítja. A csillagászok már akkor biztosak voltak abban, hogy a Marson bizonyos feltételek lehetnek az élő szervezetek létezéséhez. A csillagász meglehetősen pontosan kiszámította a bolygó saját tengelye körüli forgási periódusát.

Huygens világnézete

Az utolsó tudományos munka a csillagászat terén egy halála után, 1698-ban Hágában megjelent cikk volt. A dolgozat filozófiai és csillagászati ​​összeállítás, amely megpróbálja megérteni az Univerzum létezésének és szerkezetének alapvető fizikai törvényeit. Huygens volt az egyik első európai tudós, aki felvetette a Földön kívüli objektumok intelligens lények általi populációjának hipotézisét. Huygens posztumusz tudományos munkáját angol, francia, német és svéd nyelvre is lefordították. Christian Huygens tudományos végrendeletét I. Péter császár személyes utasítására Jacob (James) Bruce fordította le oroszra 1717-ben. A művet az orosz tudományos közösség „A világnézet könyveként” ismeri. » .

Huygens az Univerzum különböző objektumainak sok éves megfigyelését összegezve kísérletet tett arra, hogy tudományos alapot nyújtson a kopernikuszi heliocentrikus rendszer létezéséhez, valamint megtanulja kiszámítani a csillagok és a ködök valós távolságát azok látszólagos fényessége alapján.

A középkor többi jelentős tudósához hasonlóan Huygensnek is voltak tehetséges tanítványai. Közülük a leghíresebb Gottfried Leibniz német matematikus.

Christiaan Huygens 1695. július 8-án, 66 évesen halt meg Hágában. A kortársak nagyra értékelték a híres holland tudományos eredményeit a csillagászat terén. 1997-ben az Európai Űrügynökség róla elnevezett szondáját a Szaturnusz Titán nevű holdjára indították, amelyet ő fedezett fel. Az űrszonda küldetése olyan sikeres volt, mint Christiaan Huygens hosszú és tudományos felfedezésekben gazdag élete.

Életrajz

Christiaan Huygens holland mechanikus, fizikus, matematikus, csillagász és feltaláló volt.

Az elméleti mechanika és a valószínűségszámítás egyik megalapítója. Jelentős mértékben hozzájárult az optikához, a molekuláris fizikához, a csillagászathoz, a geometriához és az óragyártáshoz. Felfedezte a Szaturnusz és a Titán gyűrűit (a Szaturnusz műholdja). A Londoni Királyi Társaság első külföldi tagja (1663), alapításától (1666) a Francia Tudományos Akadémia tagja és első elnöke (1666-1681).

Huygens Hágában született 1629-ben. Édesapja, Konstantin Huygens (Huygens), az orange hercegek titkos tanácsa, figyelemre méltó író volt, aki jó tudományos képzettséget is kapott. Konstantin Descartes barátja volt, és Descartes filozófiája (kartezianizmus) nemcsak apjára, hanem magára Christian Huygensre is nagy hatással volt.

A fiatal Huygens jogot és matematikát tanult a Leideni Egyetemen, majd úgy döntött, hogy a tudománynak szenteli magát. 1651-ben publikálta „Beszédek egy hiperbola, egy ellipszis és egy kör kvadratúrájáról” c. Testvérével együtt továbbfejlesztette a távcsövet, 92-szeres nagyításra, és elkezdte tanulmányozni az eget. Huygens először akkor vált híressé, amikor felfedezte a Szaturnusz gyűrűit (Galileo is látta őket, de nem értette, mik azok) és e bolygó műholdját, a Titánt.

1657-ben Huygens holland szabadalmat kapott egy ingaóra tervezésére. Élete utolsó éveiben Galilei megpróbálta létrehozni ezt a mechanizmust, de progresszív vaksága megakadályozta. Huygens órája valóban működött, és akkoriban kiváló pontosságot biztosított. A kialakítás központi eleme a Huygens által feltalált horgony volt, amely időszakonként meglökte az ingát és fenntartotta a csillapítás nélküli rezgéseket. A Huygens által tervezett pontos és olcsó ingaóra gyorsan elterjedt az egész világon. 1673-ban „Ingaóra” címmel jelent meg Huygens rendkívül informatív értekezése a gyorsított mozgás kinematikájáról. Ez a könyv referenciakönyv volt Newton számára, aki befejezte a mechanika alapjainak építését, amelyet Galileo kezdett el, és Huygens folytatta.

1661-ben Huygens Angliába utazott. 1665-ben Colbert meghívására Párizsban telepedett le, ahol 1666-ban megalakult a Párizsi Tudományos Akadémia. Ugyanazon Colbert javaslatára Huygens lett az első elnöke, és 15 évig vezette az Akadémiát. 1681-ben a nantes-i ediktum tervezett visszavonása kapcsán Huygens nem akart áttérni a katolicizmusra, visszatért Hollandiába, ahol folytatta tudományos kutatásait. Az 1690-es évek elején a tudós egészségi állapota romlani kezdett, és 1695-ben meghalt. Huygens utolsó munkája a Cosmoteoros volt, amelyben más bolygókon való élet lehetőségével érvelt.

Tudományos tevékenység

Lagrange azt írta, hogy Huygensnek „az volt a sorsa, hogy javítsa és fejlessze a Galilei legfontosabb felfedezéseit”.

Matematika

Christian Huygens 1651-ben kezdte tudományos tevékenységét a hiperbola, ellipszis és kör négyzetre emeléséről szóló esszével. 1654-ben kidolgozta az evolúciók és evolúciók általános elméletét, tanulmányozta a cikloidot és a felsővezetéket, és továbbfejlesztette a folytonos törtek elméletét.

1657-ben Huygens egy függeléket írt „Számításokról a szerencsejátékban” tanára van Schooten „Mathematical Etudes” című könyvéhez. Ez volt az akkoriban kialakuló valószínűségelmélet alapelveinek első bemutatása. Huygens Fermattal és Pascallal együtt lerakta az alapjait, és bevezette a matematikai elvárás alapvető fogalmát. Jacob Bernoulli ebből a könyvből ismerkedett meg a valószínűségelmélettel, aki befejezte az elmélet alapjainak megteremtését.

Mechanika

1657-ben Huygens ismertette az általa feltalált ingaóra szerkezetét. Míg tudósok Nem volt olyan szükséges műszerük a kísérletekhez, mint egy pontos óra. Galilei például, amikor az esés törvényeit tanulmányozta, megszámolta saját pulzusának ütemét. Súlyokkal hajtott kerekes órákat már régóta használnak, de pontosságuk nem volt kielégítő. Galilei kora óta az ingát külön használták rövid időtartamok pontos mérésére, és szükség volt a kilengések számának számlálására. Huygens órája jó pontossággal rendelkezett, majd a tudós közel 40 éven át ismételten fordult találmányához, továbbfejlesztette azt és tanulmányozta az inga tulajdonságait. Huygens ingaórákat szándékozott használni a tengeri hosszúság meghatározásának problémájának megoldására, de nem ért el jelentős előrelépést. A megbízható és pontos tengeri kronométer csak 1735-ben jelent meg (Nagy-Britanniában).

1673-ban Huygens kiadott egy klasszikus mechanikai művét, az Ingaórát (Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica). A szerény név nem lehet félrevezető. A munka az óraelmélet mellett számos első osztályú felfedezést tartalmazott az elemzés és az elméleti mechanika területén. Huygens számos forgási felületet is négyzetesít ott. Ez és más írásai hatalmas hatással voltak a fiatal Newtonra.

A munka első részében Huygens egy továbbfejlesztett, cikloidális ingát ír le, amelynek az amplitúdótól függetlenül állandó a lengésideje. Ennek a tulajdonságnak a magyarázatára a szerző a könyv második részét a gravitációs térben - szabadon, ferde síkban mozgó, cikloid mentén gördülő - testek mozgásának általános törvényeinek levezetésére szenteli. Meg kell mondanunk, hogy ez a fejlesztés nem talált gyakorlati alkalmazásra, mivel kis ingadozások esetén a cikloidális súlygyarapodásból származó pontosságnövekedés jelentéktelen. Maga a kutatási módszertan azonban a tudomány aranyalapjába került.

Huygens levezeti a szabadon eső testek egyenletesen gyorsuló mozgásának törvényeit, azon a feltételezésen alapulva, hogy az állandó erő által a testre gyakorolt ​​hatás nem függ a kezdeti sebesség nagyságától és irányától. A zuhanás magassága és az idő négyzete közötti összefüggést levezetve Huygens azt a megjegyzést teszi, hogy a zuhanások magassága a mért sebességek négyzeteként van összefüggésben. Továbbá a felfelé dobott test szabad mozgását figyelembe véve azt tapasztalja, hogy a test a legnagyobb magasságba emelkedik, elvesztve a neki adott sebességet, és visszaérve ismét felveszi azt.

Galilei bizonyíték nélkül elismerte, hogy amikor a testek különböző dőlésszögű egyenesek mentén esnek le azonos magasságból, akkor egyenlő sebességre tesznek szert. Huygens ezt a következőképpen bizonyítja. Két különböző dőlésszögű és egyenlő magasságú egyenes vonalat helyezünk el, alsó végükkel egymás mellé. Ha az egyik felső végéről indított test nagyobb sebességre tesz szert, mint a másik felső végéről indított test, akkor az első mentén a felső vége alatt olyan pontról indítható, hogy az alatta elért sebesség elegendő legyen. felemelni a testet a második vonal felső végére; de akkor kiderülne, hogy a test magasabbra emelkedett, mint ahonnan leesett, de ez nem lehet. A test ferde egyenes mentén történő mozgásából Huygens szaggatott vonal mentén halad, majd bármely ív mentén halad, és bebizonyítja, hogy a görbe mentén tetszőleges magasságból való eséskor elért sebesség megegyezik a görbe mentén elért sebességgel. szabadesés ugyanabból a magasságból egy függőleges vonal mentén, és hogy ugyanazon test azonos magasságba emeléséhez mind függőleges egyenes, mind ív mentén azonos sebesség szükséges. Majd áttérve a cikloidra, és figyelembe véve annak egyes geometriai tulajdonságait, a szerző bizonyítja a nehéz pont cikloid menti mozgásának tautokronitását.

A munka harmadik része az evolúciók és evolúciók elméletét vázolja fel, amelyet a szerző 1654-ben fedezett fel; itt megtalálja a cikloid evolúciójának típusát és helyzetét. A negyedik rész felvázolja a fizikai inga elméletét; Itt Huygens megoldja azt a problémát, amely korának sok geometriájának nem adatott meg - a rezgésközéppont meghatározásának problémáját. A következő mondaton alapul:

Ha egy összetett inga, miután nyugalmat hagyott, befejezte a lengés egy részét, nagyobb, mint a féllengés, és ha az összes részecskéje közötti kapcsolat megsemmisül, akkor ezek a részecskék mindegyike olyan magasságba emelkedik, hogy közös középpontjuk A gravitáció azon a magasságon lesz, amelyen az inga nyugalmi állapotát elhagyta. Ez a Huygens által nem bizonyított tétel alapelvnek tűnik számára, míg most az energiamegmaradás törvényének egyszerű következménye.

A fizikai inga elméletét Huygens teljesen általános formában adta meg, és különféle testekre alkalmazta. Huygens kijavította Galilei hibáját, és megmutatta, hogy az inga rezgésének az utóbbi által hirdetett izokronizmusa csak megközelítőleg megy végbe. Megjegyezte a Galilei két további kinematikai hibáját is: az egyenletes körmozgás a gyorsulással jár (Galileo ezt tagadta), a centrifugális erő pedig nem a sebességgel, hanem a sebesség négyzetével arányos.

Munkája utolsó, ötödik részében Huygens tizenhárom tételt közöl a centrifugális erőről. Ez a fejezet először ad pontos mennyiségi kifejezést a centrifugális erőre, amely később fontos szerepet játszott a bolygómozgás tanulmányozásában és az egyetemes gravitáció törvényének felfedezésében. Huygens (szóban) több alapvető képletet ad meg:

Csillagászat

Huygens önállóan fejlesztette a távcsövet; 1655-ben felfedezte a Szaturnusz Titán holdját, és leírta a Szaturnusz gyűrűit. 1659-ben egy általa publikált művében leírta a teljes Szaturnusz-rendszert.

1672-ben jégsapkát fedezett fel a Mars déli sarkán. Felfedezte az Orion-ködöt és más ködöket is, megfigyelte a kettős csillagokat, és (egészen pontosan) megbecsülte a Mars tengelye körüli forgási periódusát.

Az utolsó könyv „ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae” (latinul; posztumusz jelent meg Hágában, 1698-ban) az Univerzum filozófiai és csillagászati ​​elmélkedése. Úgy vélte, hogy más bolygókon is élnek emberek. Huygens könyve széles körben elterjedt Európában, ahol angol (1698), holland (1699), francia (1702), német (1703), orosz (1717) és svéd (1774) nyelvre is lefordították. I. Péter rendelete alapján Jacob Bruce „A világ könyve” címmel oroszra fordította. Ez az első könyv Oroszországban, amely kifejti Kopernikusz heliocentrikus rendszerét.

Ebben a munkában Huygens megtette az első kísérletet (James Gregoryval együtt) a csillagok távolságának meghatározására. Ha feltételezzük, hogy minden csillagnak, így a Napnak is hasonló a fényessége, akkor látszólagos fényességüket összehasonlítva nagyjából megbecsülhetjük a hozzájuk való távolságok arányát (a Nap távolságát akkor már kellő pontossággal ismerték). Sirius esetében Huygens 28 000 csillagászati ​​egység távolságot kapott, ami körülbelül 20-szor kisebb, mint a valódi (postumusz, 1698-ban közzétett).

Optika és hullámelmélet

Huygens részt vett a fény természetéről folyó kortárs vitákban. 1678-ban kiadta Treatise on Light című művét, amely a fény hullámelméletének vázlata. 1690-ben újabb figyelemre méltó munkát adott ki; ott vázolta fel a reflexió, fénytörés és kettős törés kvalitatív elméletét az izlandi sparban, abban a formában, ahogy azt a fizika tankönyvek most bemutatják. Megfogalmazta a „Huygens-elvet”, amely lehetővé teszi egy hullámfront mozgásának tanulmányozását, amelyet később Fresnel fejlesztett ki, és fontos szerepet játszott a fény hullámelméletében. Felfedezte a fény polarizációját (1678).

Az övé volt a távcső eredeti fejlesztése, amelyet csillagászati ​​megfigyelésekben használt, és a csillagászatról szóló bekezdésben említette, ő találta fel a „Huygens okulárt”, amely két síkdomború lencséből áll (ma is használatos). Ő a feltalálója a diaszkópos projektornak is – az ún. "varázslámpa"

Egyéb eredmények

Huygens (elméletileg) alátámasztotta a Föld pólusokon való meglapultságát, valamint kifejtette a centrifugális erő hatását a gravitáció irányára és a második inga hosszára különböző szélességi fokokon. Megoldást adott a rugalmas testek ütközésének problémájára, Wallis-szal és Wrennel egyidejűleg (postumusz publikálva), és az egyik megoldást a nehéz, homogén lánc egyensúlyi formája (láncvonal) problémájára.

Ő az óraspirál feltalálója, amely a navigáció szempontjából rendkívül fontos ingát váltja fel; Az első spirállal rendelkező órát Thuret óragyártó tervezte Párizsban 1674-ben. 1675-ben szabadalmaztatott egy zsebórát.

Huygens volt az első, aki egy univerzális természetes hosszmérték kiválasztását szorgalmazta, amelyhez az inga hosszának 1/3-át javasolta 1 másodperces rezgésperiódussal (ez körülbelül 8 cm).

Főbb munkák

Horologium oscillatorium, 1673 (Ingaóra, latinul).
Kosmotheeoros. (Az 1698-as kiadás angol fordítása) - Huygens csillagászati ​​felfedezései, hipotézisek más bolygókkal kapcsolatban.
Treatise on Light (Treatise on Light, angol fordítás).

Huygens Christian (1629-1695) holland fizikus, matematikus, mechanikus, csillagász.

1629. április 14-én született Hágában. 16 évesen belépett a Leideni Egyetemre, két évvel később a Bredai Egyetemen folytatta tanulmányait. Főleg Párizsban élt; a Párizsi Tudományos Akadémia tagja volt.

Huygens zseniális matematikusként vált ismertté. A sors azonban úgy döntött, hogy I. Newton kortársa volt, ami azt jelenti, hogy mindig valaki más tehetségének árnyékában volt. Huygens Galileo és Descartes után a mechanika egyik fejlesztője volt. Ő vette át a vezetést a menekülési mechanizmussal ellátott ingaórák létrehozásában. Sikerült megoldania a fizikai inga lengésközéppontjának meghatározásának problémáját, és megállapította a centripetális erőt meghatározó törvényeket. Ezenkívül megvizsgálta és levezette a rugalmas testek ütközését szabályozó törvényeket.

Newton előtt Huygens kidolgozta a fény hullámelméletét. Huygens elve (1678) - az általa felfedezett mechanizmus a fény terjedésére - ma is alkalmazható. Huygens fényelméletére alapozva számos optikai jelenséget magyarázott, nagy pontossággal megmérte az izlandi spark geometriai jellemzőit, és kettős törést fedezett fel benne, majd ugyanezt a jelenséget látta a kvarckristályokban is. Huygens bevezette a „kristálytengely” fogalmát, és felfedezte a fény polarizációját. Nagy sikerrel dolgozott az optika területén: jelentősen továbbfejlesztette a távcsövet, okulárt tervezett, nyílásokat vezetett be.

A Párizsi Obszervatórium egyik alapítójaként jelentős mértékben hozzájárult a csillagászathoz – felfedezte a Szaturnusz és a Titán 8. gyűrűjét, a Naprendszer egyik legnagyobb műholdját, megkülönböztette a Marson a sarki sapkákat és a Jupiter csíkjait. A tudós nagy érdeklődéssel megkonstruálta az úgynevezett planetáris gépet (planetáriumot), és megalkotta a Föld alakjának elméletét. Ő volt az első, aki arra a következtetésre jutott, hogy a Föld a pólusok közelében össze van nyomva, és kifejtette, hogy a gravitációs erőt egy második ingával kell megmérni. Huygens közel járt az egyetemes gravitáció törvényének felfedezéséhez. Matematikai módszereit ma is alkalmazzák a tudományban.