在伽利略和牛顿之间，不可遗忘的惠更斯

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在伽利略和牛顿之间，不可遗忘的惠更斯

原创 关注全球科研的 科学方程式 2024 年 07 月 08 日 16:52 北京

三百多年前的今天，1695 年 7 月 8 日，荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）去世，享年 66 岁。

他活跃于十七世纪，被认为是“上承伽利略，下启牛顿”的物理学先驱。他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，尤其是他创立的光波动理论，与牛顿主张的光粒子理论激烈论战上百年，吸引了托马斯·杨（Thomas Young）、菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）、麦克斯韦（James Clerk Maxwell）和爱因斯坦（Albert Einstein）等众多科学家前赴后继，探索光的本质。

此外，惠更斯还是一位多产的发明家。他用改进的望远镜发现了土卫六，发明了世界上第一台摆钟，彻底改变了西欧的计时方式。

直到生命的最后几年，惠更斯仍在坚持研究与创作。他的“遗嘱”，早已写成：

“希望我的写作能响彻天堂，让我的名声获得回响。”

01  天之骄子，多才多艺

1629 年 4 月 14 日，荷兰海牙。康斯坦丁·惠更斯爵士（Constantijn Huygens）迎来了他的第二个儿子，并以他最尊敬的父亲的名字“克里斯蒂安”为其命名。

在这个世代从政的富裕家庭里，小惠更斯如天之骄子一般，学习语言、音乐、历史、地理、数学、舞蹈、击剑和骑马。


康斯坦丁·惠更斯爵士一共育有 5 个孩子（克里斯蒂安，左图右上）

十七世纪正值荷兰的“黄金时代”，贸易活跃，科学与艺术繁荣。身为荷兰宫廷秘书的康斯坦丁·惠更斯，除了爱好写诗和音乐，也乐于结交欧洲各地的知识分子。在他的通信好友里，不乏伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）、马林·梅森（Marin Mersenne）和勒内·笛卡尔（René Descartes）等大科学家。受此影响，小惠更斯很早就开始阅读他们的著作。

16 岁时，惠更斯进入荷兰莱顿大学学习法律和数学。两年后，转学至新成立的布雷达奥兰治学院，直至 1649 年完成学业。

父亲曾希望他能子承父业，成为一名外交官。但惠更斯对数学更感兴趣。他给父亲的朋友——法国数学家马林·梅森写信，与他分享自己发现的自由落体定律的数学证明、格雷戈瓦·德·圣文森特的圆求积法（惠更斯证明其是错误的）、椭圆的矫正、抛射物和振动弦。

梅森也没有轻视这个小笔友，称他为“新阿基米德”。在人生的最后两年，把他当时正在研究的一些问题，如摆线、振荡中心、万有引力常数等，倾囊相授。这些都在日后促成了惠更斯的重要研究成果。


马林·梅森（1588-1648），以梅森素数闻名。他被称为“欧洲的邮箱”，与十七世纪上半叶重要的科学家都有交际。

02  追随伽利略，仰望浩瀚星空

受伽利略影响，惠更斯对天文学和望远镜非常感兴趣。

望远镜是十七世纪的新兴发明。伽利略对荷兰人的设计进行了改造，制作出了一台能放大 28 倍的望远镜。1609 年，当伽利略第一次将望远镜对准月球，观测到月球上的山脉和陨石坑，天文观测就此开启了新的纪元。


伽利略·伽利莱（1564-1642），意大利物理学家、数学家、天文学家，被誉为“现代观测天文学之父”、“现代物理学之父”、“现代科学之父”。

在伽利略的启发下，许多人意识到提高望远镜的质量可能意味着创造新的天文学机会。

1652 年，23 岁的惠更斯也开始着手改造望远镜。为此，他还专门设计了透镜研磨机和抛光机，用于优化磨制透镜的效率。

1655 年，惠更斯架起了一台 3.65 米长的望远镜。将它指向土星时，他看清了 30 年前让伽利略困惑不已的土星环，并惊喜地发现了土星的第一颗卫星“土卫六”。

1659 年，惠更斯汇总多年来的观测结果，发表了题为《土星系统》的论文。他阐述了一句重要的环理论：土星被一个薄而扁平的环所环绕，这个环并无相接之处，且向黄道面倾斜。



克里斯蒂安·惠更斯的首创性贡献，他是第一个：

● 计算地球以外行星的大小；

● 推测金星周围有一层云层；

● 发现火星表面的黑点并利用它们估算火星白天的长度；

● 发现土星光环并观察到它们由岩石构成；

● 发现土星最大的卫星“土卫六”。

随后，惠更斯将注意力转向如何更加准确地测量时间。这对天文观测、海上航行以及科学实验都非常重要。

伽利略依旧是他的“时空老师”。前者曾在比萨大教堂中长时间观察一盏来回摆动的吊灯，发现了“钟摆等时性”现象，即相同长度的钟摆，摆动的周期相同。换言之，利用钟摆每次摆动时间相同的特性，可以成为时钟的“完美调整器”。

但伽利略和他的儿子都没弄明白，如何将钟摆与发条装置结合起来。而惠更斯做到了！

惠更斯于 1656 年底设计出了历史上第一台摆钟。它的问世，极大地提高了时钟的精确度，从每天大约 15 分钟的误差缩短至 15 秒。接下来的几百年，摆钟都是全世界最精确的计时器，直至 1927 年石英钟的问世。


惠更斯通过在摆钟两侧设置补偿器来校正大幅度的误差，并尽可能减少温度变化对钟摆的影响。

如果惠更斯只是在机械发明上有所造诣，那么他还不够资格后继伽利略的重要地位。

1673 年，惠更斯出版了一本开创性的著作《钟摆运动的几何演示》（the Horologium Oscillatorium，也有翻译为《摆钟论》）。除了阐述摆钟的设计概念，他还运用数学原理解释了一系列相关的物理问题，涉及受限落体、摆线、曲线几何、振荡中心、离心力等命题。

《钟摆运动的几何演示》被认为是十七世纪最重要的三部力学著作之一，另外两部分别是伽利略的《关于两门新科学的论述和数学演示》和牛顿的《自然哲学的数学原理》。

03  与牛顿论战，探索光的本质

如果将艾萨克·牛顿从历史书中抹去，惠更斯将成为十七世纪下半叶物理学的标志性人物吗？

很有可能！

他与牛顿之间爆发的“微粒大战”持续上百年，是十七世纪唯一一位可以挑战剑桥学阀的物理学家。



先回到论战的起因，寻找光的本质是什么？

牛顿认为，光是由不同颜色的微粒组成的。并用实验解释了光的直线传播和反射性质。

惠更斯则主张光是由波组成的。1690 年，他在出版的《光论》一书中阐述了波的直线传播与球面传播，并且推导出反射定律与折射定律——远远优于牛顿的解释。

惠更斯还不忘向牛顿发起反击：如果光是微粒，为什么我们看不到两条光交叉的时候因为发生碰撞而改变方向呢？

牛顿也抓住了惠更斯的弱点，反问道：如果光是一种波，它应当像声波一样可以绕过障碍物而不会产生影子，为什么实验中却没有出现这种现象呢？

可惜的是，第一次“微粒大战”未决胜负，惠更斯就去世了，微粒说逐渐占据主流。惠更斯在光学和力学方面的工作逐渐被牛顿的锋芒所掩盖。

● 1801 年

英国科学家托马斯·杨设计了一项双缝实验：用单色光源照射两个相距很小的狭缝，同时在其正后方设置了一个观察屏幕。



针对屏幕上形成的图案，分别用牛顿的光粒子模型和惠更斯的光波动模型做出了不同的预测。



最终，杨在观察屏上看到的不是两个，而是多个亮斑。并且这些亮斑的跨度比狭缝之间的距离要大，甚至有交替出现的暗斑和亮斑（最小值和最大值）。

杨的双缝干涉实验表明，光的本质不可能是粒子，否则只会在两个狭缝后面产生两个明亮的光带。

● 1819 年

法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳利用干涉原理对惠更斯原理进行完善，提出惠更斯-菲涅耳原理，补充了惠更斯当年无法解释的光的衍射现象。同时建立了光的横波传播理论。

得益于他们两人的贡献，十九世纪中期，光波动说开始主导科学思潮。

● 1865 年

英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦指出光也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理论。

● 1888 年

德国物理学家海因里希·赫兹做实验时，发射并接收到了电磁波，证实麦克斯韦的猜测准确。

● 1905 年

爱因斯坦运用光量子假设，成功地解释了光电效应。他将光束描述为一群离散的量子（现称为光子），而不是连续性波动。

“波粒大战”进入二十世纪，物理学家开始意识到，光波具有波动和粒子的双重性质。波粒二象性的观点统治至今。

04  荷兰之光陨落，名声终会回响

惠更斯生命的最后五年，健康状况持续不佳，孤独感伴随着抑郁症与日俱增。

回想 1689 年最后一次访问英国，终于见到了牛顿。本是地位相当的两人，命运的齿轮却将他们推向了两个方向：

牛顿在出版《自然哲学的数学原理》之后，步步高升，迈向科学之巅。

惠更斯饱受病痛折磨，隐居荷兰海牙，等待生命的火光熄灭。

不过，他的功绩无可争议。虽然他没有像牛顿一样，实现一个包罗万象的世界观，但他将兴趣分散在最多样化的问题上，数学、力学、天文学、光学、机械设计等领域各有建树。

例如，惠更斯发现随机现象越来越左右人们的生活，他将论文增加为 9 个命题和 5 个问题，形成《论赌博中的计算》于 1657 年发表，其运用数学原理解释赌桌游戏，被数学界认为是关于概率论最早的系统著作。书中提出的解决概率问题的方法被称为“惠更斯分析法”，这是一种通过代数方程求解概率问题的方法。该书在欧洲多次再版，成为概率论的标准教材，影响教育和学术界长达 50 年之久。在研究钟摆问题时，他先于牛顿发现了离心力现象，牛顿对此表示了感谢。

他的影响力，不该因为他的离世而逐渐消退。

2005 年，一架名为惠更斯号的探测器登陆木卫六。时隔 350 年，惠更斯和木卫六的故事再次影响世界。虽然这位荷兰科学家在当时没有得到足够的认可，不过时间自然会给予回响。



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