克里斯蒂安·惠更斯

克里斯蒂安・惠更斯(Christiaan Huygens，1629年04月14日―1695年07月08日)荷蘭物理學家、天文學家、數學家、他是介於伽利略與牛頓之間一位重要的物理學先驅，是歷史上最著名的物理學家之一，他對力學的發展和光學的研究都有傑出的貢獻，在數學和天文學方面也有卓越的成就，是近代自然科學的一位重要開拓者。他建立向心力定律，提出動量守恆原理，改進了計時器。

克里斯蒂安·惠更斯，荷蘭人，世界知名物理學家、天文學家、數學家，和發明家，機械鐘(他發明的擺鐘屬於機械鐘)的發明者。

惠更斯自幼聰慧，13歲時曾自製一台車床，表現出很強的動手能力。1645～1647年在萊頓大學學習法律與數學;1647～1649年轉入布雷達學院深造。在阿基米德等人著作及笛卡兒等人直接影響下，致力於：力學、光波學、天文學及數學的研究。他善於把科學實踐和理論研究結合起來，透徹地解決問題，因此在擺鐘的 發明、天文儀器的設計、彈性體碰撞和光的波動理論等 方面都有突出成就。1663年他被聘為英國皇家學會第一 個外國會員，1666年剛成立的法國皇家科學院選 他為院士。惠更斯體弱多病，一心致力於科學事業，終生未婚。 1695年7月8日在海牙逝世。他還推翻了牛頓的微粒說。

1629年4月14 日出生於海牙。父母是大臣和詩人，與R.笛卡兒等學界名流交往甚密。

惠更斯自幼聰慧，13歲時曾自製一台車床，表現出很強的動手能力。他的祖父，也叫克里斯蒂安·惠更斯，作為秘書效力於沉默者威廉（William the Silent）以及毛里斯親王（Prince Maurice）。在1625年，他的父親康斯坦丁（Constantijn）成為親王弗雷德里克·亨利（Prince Frederic Henry）的秘書，而且正如克里斯蒂安的哥哥，另一位康斯坦丁（Constantijn）那樣，在隨後的生涯中，一直服務於奧蘭治家族（Orange family）。

跟隨這個效命於奧蘭治王室（house of Orange）的外交事務（diplomatic service）傳統，惠更斯家族有一個堅實的教育和文化傳統。他的祖父積極參與到對孩子們的教育中，於是惠更斯的父親在文學和科學方面都極為博學。他曾與梅森（Mersenne）和笛卡爾有過通信，而笛卡爾受到過惠更斯在海牙對他的很好的招待。康斯坦丁是一個對藝術很有品位的人，有繪畫才能，也是一個音樂家、多才的作曲家，而尤其是，一個傑出的詩人；他那些用荷蘭文和拉丁文寫下的篇章，令他在荷蘭文學史上獲得了經久不衰的地位。

就像他父親一樣，康斯坦丁積極地致力於孩子的教育。克里斯蒂安和哥哥康斯坦丁在家中接受父親和私人教師的教育，一直到16歲。兄弟倆在音樂（克里斯蒂安善於歌唱，並能演奏古大提琴[viola de gamba]，魯特詩琴[lute]和撥弦鍵琴[harpsichord]）、拉丁語、希臘語、法語、一些義大利語、以及邏輯、數學、力學、還有地理學方面有了一個背景。作為一個非常天才的學生，克里斯蒂安在幼年就展示出了兼顧理論方面的興趣以及對實際應用與建造的洞察力，這也成為了他後來的科學工作的特點。

從1645年5月到1647年三月，克里斯蒂安在萊頓大學（University of Leiden）學習法律與數學。其中數學是學自凡斯頓（Frans van Schooten）。他學習了經典數學，也學習了韋達（Viète）、笛卡爾、費馬的現代方法。在這一時期，他的父親告訴梅森其子對落體問題的研究，這引起了梅森的注意，也從而開始了在克里斯蒂安與梅森之間的直接通信。笛卡爾，其工作在這些年深深地影響了年輕的惠更斯，也對克里斯蒂安的工作表示興趣與欣賞。從1647年3月到1649年八月，克里斯蒂安在新成立的位於布雷達（Breda）的奧蘭治學院（Collegium Arausiacum[College of Orange]）學習法律，他的父親是這所學校的校長，而佩爾（Pell）教數學。

在他的學習之後，惠更斯沒有選擇外交（diplomacy）這個本來對他的出生和教育更自然的職業生涯。他不想要這樣的事業，而不論怎樣，隨著1650年威廉二世（William II）的去世、惠更斯家族失去了從事外交工作的首要機會。惠更斯一直呆在家到1666年，除了到巴黎和倫敦的三次旅行。他父親提供的資助讓他可以完全投入到對自然的研究中。這些年（1650到1666）是惠更斯的生涯中最多產的時期。

最初惠更斯集中於數學：面積和體積的確定，以及由帕普斯（Pappus）的工作所啟發的代數問題。在1651年，《雙曲線、橢圓和圓的求積定理》[1]（Theoremata de quadratura hyperboles, ellipsis et circuli）[1] 寫成，包括對聖文森特的格里高利（Gregory of St. Vincent）的圓求積的反駁。而後是1654年的《圓大小的發現》（De circuli magnitudine inventa）[2]。在接下來的歲月中，惠更斯研究了拋物線求長、求拋物線旋轉面的面積、許多曲線如蔓葉線、擺線（與帕斯卡在1658年公開提出的一個問題有聯繫）和對數曲線的切線和面積問題。1657年，惠更斯關於概率問題的論文發表，《論賭博中的計算》（Tractatus de ratiociniis in aleae ludo）[4]。

1650年，一個關於流體靜力學的手稿[20]已經完成。而在1652年，惠更斯將彈性碰撞的規律公式化，並開始幾何光學的學習。在1655年他讓自己與他哥哥一起，去磨製鏡片。他們製造了顯微鏡和望遠鏡。而惠更斯在1655-1656年的冬天，發現了土星的衛星並辨識出了土星光環，兩者分別報告於《土星之月新觀察》（De Saturni luna observatio nova [3]）和《土星系統》（Systema Saturnium [6]）中。

1656年惠更斯發明了擺鐘。這在1658年的《時鐘》（Horologium [5]）（不要與後來的Horologium oscillatorium混淆）中有記述。這也造就了一些機會讓他發現擺線等時性（tautochronism）（1659）、研究漸屈線（evolute）和擺動中心（center of oscillation）的理論。惠更斯對離心力的研究也從1659年開始。在這些年中，他與許多學者的通信大量增多，那些學者有聖文森特的格里高利、沃利斯（Wallis）、凡司頓和斯呂塞（Sluse）。在1660年之後，對擺鐘在海上確定經度的應用研究佔據了他很多的時間。

關於上面提到的旅行，第一次是1655年的7月到9月，惠更斯來到巴黎，在那裡遇見了伽桑狄（Gassendi）、羅伯威爾（Roberval）、索畢耶（Sorbiere）以及布利奧（Boulliau）——也就是後來組建法國皇家科學院（Academie Royale des Sciences）的那些學者。與他的哥哥一樣，利用在法國停留的機會，在昂熱（Angers）取得了一個民法及教會法規“utriusque juris”博士學位。當他第二次在巴黎停留，那是1660年10月到1661年3月，他見到了帕斯卡、奧祖（Auzout）以及笛沙格（Desargues）。後來他在去了倫敦，呆到1661年5月。在那裡，惠更斯參加了格雷欣學院（Gresham College）的會議，遇見了莫里（Moray）、沃利斯（Wallis）以及奧登堡（Oldenburg），而波義耳的空氣泵實驗給他留下了深刻印象。第三次來巴黎，是從1663年4月到1664年5月，中間有一次去倫敦的旅行（1663年6月到9月）。他在倫敦成立了新成立的皇家學會（Royal Society）的會員。接著他回到巴黎，在那裡從路易十四獲得了科學工作的第一筆薪俸。

在1664年，泰弗諾（Thévenot）找到惠更斯，請他成為在巴黎即將成立的一所學院（academy）的成員；柯爾貝爾（Colbert）提議為梅森之後在巴黎舉行的非正式學者會議，給予一個官方的地位以及資助。在1666年，皇家科學院（Académie Royale des Sciences）成立，惠更斯接受了會員資格，並在那年5月前往巴黎。此後在巴黎一直呆到1681年，中間僅因為健康原因，有兩次在海牙（Hague）呆了一段時間。惠更斯身體不太好，在1670年初，他被一場嚴重的疾病所折磨。在9月，他部分痊癒並前往海牙，在1671年6月回到巴黎。而在1675年秋，疾病複發，從1676年7月到1678年6月惠更斯再次呆在海牙。

作為學會最卓越的會員，惠更斯獲得了很高的薪俸，並居住在皇家圖書館（Bibliothéque Royal）的一套房間中。在學會中，惠更斯鼓勵一項研究自然的培根式計劃（Baconian program）。他積極參與天文觀測（例如對土星的觀測）和空氣泵實驗中來。在1669年他闡述了他的重力起因理論，而在1678年他寫了《論光》（Traité de la lumière [12]），其中宣布了他在1676-1677年發展出來的光的波動理論（嚴格地說是光的脈衝理論）。在1668-1669年，他在理論上和實驗上，研究了阻力介質中的物體運動。在1673年，他與帕平（Papin）合作，建造了一個內燃機（moteur à explosion）。而此後他也與萊布尼茲有定期接觸。惠更斯在1673年開始了他關於簡諧振動的研究，並設計出由彈簧而非鐘擺來校準時間的鐘錶，接著，就發生了他與胡克（Hooke）的優先權之爭。在1677年他使用了顯微鏡進行研究。

1672年，荷蘭共和國和路易十四及其同盟者之間爆發了戰爭。奧蘭治的威廉三世上台，而惠更斯的父親和哥哥承擔了荷蘭的重要位置。而惠更斯留在巴黎，雖然他對荷蘭的事業有著深切的關注，但他仍然在的柯爾貝爾保護下繼續他在學會的工作。1673年，他發表了《論擺鐘》（Horologium oscillatorium [10]），這是惠更斯進入路易十四資助的職位后的第一部著作，他把它獻給了法國國王。這一舉動有助於加強他在巴黎的地位，但在荷蘭引起了一些反對。

又一次因為疾病，惠更斯在1681年離開巴黎，在1683年之前痊癒，但與此同時柯爾貝爾去世，而如果在巴黎沒有他的支持，惠更斯因其國籍、新教信仰以及家庭與奧蘭治王室的關係，會給他招致強烈的反對，因此他決定呆在荷蘭。從而他的經濟狀況不像以前那樣有保障，而他可以靠家裡的土地所有權而有一份收入。惠更斯從未結婚。在海牙以及在靠近福爾堡（Voorburg）附近的家庭鄉村別墅Hofwijck的相對孤寂的狀態中，他繼續光學研究，建造了許多鐘錶，並試用於幾次長距離航海中，他還寫下了《被發現的天上的世界》（Cosmotheoros [14]）。1689年6月到9月，他訪問英格蘭，在那裡遇到了牛頓。牛頓的《原理》引起了惠更斯的仰慕之情但也激起了他強烈的分歧。兩者的證據在《論光》及本書補編的《論重力的原因》（Discours de la cause de la pesanteur [13]）中能找到。與法蒂奧（Fatio de Duillier）的討論，與萊布尼茲的通信，以及對他的微分積分的興趣，在最後的幾年中使惠更斯的注意力轉回數學。

1694年，惠更斯再一次生病，這一次他沒有恢復過來。次年夏天在海牙去世。

惠更斯曾首先集中精力研究數學問題，惠更斯在數學上有出眾的天才，早在22歲時就發表過關於計算圓周長、橢圓弧及雙曲線的著作。他對各種平面曲線，如懸鏈線(他發現懸鏈線及擺線與拋物線的區別)、曳物線、對數螺線等都進行過研究，還在概率論和微積分方面有所成就。

1657年發表的《論賭博中的計算》，就是一篇關於概率論的科學論文(他是概率論的創始人)，顯示了他在數學上的造詣。從1651年起，對於圓、二次曲線、複雜曲線、懸鏈線、概率問題等發表了一些論著，他還研究了浮體和求各種形狀物體的重心等問題。

惠更斯原理是近代光學的一個重要基本理論。但它雖然可以預料光的衍射現象的存在，卻不能對這些現象作出解釋，也就是它可以確定光波的傳播方向，而不能確定沿不同方向傳播的振動的振幅。因此，惠更斯原理是人類對光學現象的一個近似的認識。直到後來，菲涅耳對惠更斯的光學理論作了發展和補充，創立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才較好地解釋了衍射現象，完成了光的波動說的全部理論。

惠更斯在1678年給巴黎科學院的信和1690年發表的《光論》一書中都闡述了他的光波動原理，即惠更斯原理．他認為每個發光體的微粒把脈衝傳給鄰近一種瀰漫媒質（“以太”）微粒，每個受激微粒都變成一個球形子波的中心．他從彈性碰撞理論出發，認為這樣一群微粒雖然本身並不前進，但能同時傳播向四面八方行進的脈衝，因而光束彼此交*而不相互影響，並在此基礎上用作圖法解釋了光的反射、折射等現象《光論》中最精彩部分是對雙折射提出的模型，用球和橢球方式傳播來解釋尋常光和非常光所產生的奇異現象，書中有幾十幅複雜的幾何圖，足以看出他的數學功底。

另外惠更斯在巴黎工作期間曾致力於光學的研究。1678年，他在法國科學院的一次演講中公開反對了牛頓的光的微粒說。他說，如果光是微粒性的，那麼光在交叉時就會因發生碰撞而改變方向。可當時人們並沒有發現這現象，而且利用微粒說解釋折射現象，將得到與實際相矛盾的結果。因此，惠更斯在1690年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎上，他推導出了光的反射和折射定律，圓滿地解釋了光速在光密介質中減小的原因，同時還解釋了光進入冰洲石所產生的雙折射現象，認為這是由於冰洲石分子微粒為橢圓形所致。

惠更斯在天文學方面有著很大的貢獻。他設計製造的光學和天文儀器精巧超群，如磨製了透鏡，改進瞭望遠鏡（用它發現了土星光環等）與顯微鏡，惠更斯目鏡至今仍然採用，還有幾一十米長的“空中望遠鏡”（無管、長焦距、可消色差）、展示星空的“行星機器”（即今天文館雛型）等．

他把大量的精力放在了研製和改進光學儀器上。當惠更斯還在荷蘭的時候，就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地設計和磨製出瞭望遠鏡的透鏡，進而改良了開普勒的望遠鏡。惠更斯利用自己研製的望遠鏡進行了大量的天文觀測。因此，他得到的報酬是解開了一個由來已久的天文學之謎。伽利略曾通過望遠鏡觀察過土星，他發現了“土星有耳朵”，後來又發現了土星的“耳朵”消失了。伽利略以後的科學家對此問題也進行過研究，但都未得要領。“土星怪現象”成為了天文學上的一個謎。當惠更斯將自己改良的望遠鏡對準這顆行星時，他發現了在土星的旁邊有一個薄而平的圓環，而且它很傾向地球公轉的軌道平面。伽利略發現的“土星耳朵”消失，是由於土星的環有時候看上去呈現線狀。以後惠更斯又發現了土星的衛星--土衛六，並且還觀測到了獵戶座星雲、火星極冠等。

對擺的研究是惠更斯所完成的最出色的物理學工作。

在1668～1669年英國皇家學會碰撞問題徵文懸賞中，他是得獎者之一．他詳盡地研究了完全彈性碰撞問題（當時叫“對心碰撞”）．死後綜合發表於《論物體的碰撞運動》（1703）中，包括5個假設和13個命題．他糾正了笛卡兒不考慮動量方向性的錯誤，並首次提出完全彈性碰撞前後的守恆．他還研究了岸上與船上兩個人手中小球的碰撞情況並把相對性原理應用於碰撞現象的研究。

惠更斯從實踐和理論上研究了鐘擺及其理論．1656年他首先將擺引入時鐘成為擺鐘以取代過去的重力齒輪式鍾．在《擺鐘》（1658）及《擺式時鐘或用於時鐘上的擺的運動的幾何證明》（1673）中提出著名的單擺周期公式，研究了復擺及其振動中心的求法．通過對漸伸線、漸屈線的研究找到等時線、擺線．研究了三線擺、錐線擺、可倒擺及擺線狀夾片等，圖2－2－7是惠更斯的船用鍾外形及其內部結構，結構中有擺錘、擺線狀夾板、每隔半秒由驅動錘解鎖的棘爪等． 在研究擺的重心升降問題時，惠更斯發現了物體系的重心與後來歐勒稱之為轉動慣量的量，還引入了反饋裝置――“反饋”這一物理思想今天更顯得意義重大．設計了船用鍾和手錶平衡發條，大大縮小了鐘錶的尺寸．

用擺求出重力加速度的準確值，並建議用秒擺的長度作為自然長度標準．

惠更斯還提出了他的離心力定理，他還研究了圓周運動、擺、物體系轉動時的離心力以及泥球和地球轉動時變扁的問題等等．這些研究對於後來萬有引力定律的建立起了促進作用．他提出過許多既有趣又有啟發性的離心力問題．

多少世紀以來，時間測量始終是擺在人類面前的一個難題。當時的計時裝置諸如日規、沙漏等均不能在原理上保持精確。直到伽利略發現了擺的等時性，惠更斯將擺運用於計時器，人類才進入一個新的計時時代。

當時，惠更斯的興趣集中在對天體的觀察上，在實驗中，他深刻體會到了精確計時的重要性，因而便致力於精確計時器的研究。當年伽利略曾經證明了單擺運動與物體在光滑斜面上的下滑運動相似，運動的狀態與位置有關。惠更斯進一步確證了單擺振動的等時性並把它用於計時器上，製成了世界上第一架計時擺鐘。這架擺鐘由大小、形狀不同的一些齒輪組成，利用重鎚作單擺的擺錘，由於擺錘可以調節，計時就比較準確。在他隨後出版的《擺鐘論》一書中，惠更斯詳細地介紹了製作有擺自鳴鐘的工藝，還分析了鐘擺的擺動過程及特性，首次引進了“擺動中心”的概念。他指出，任一形狀的物體在重力作用下繞一水平軸擺動時，可以將它的質量看成集中在懸掛點到重心之連線上的某一點，以將複雜形體的擺動簡化為較簡單的單擺運動來研究。

惠更斯在他的《擺鐘論》中還給出了他關於所謂的“離心力”的基本命題。他提出：一個作圓周運動的物體具有飛離中心的傾向，它向中心施加的離心力與速度的平方成正比，與運動半徑成反比。這也是他對有關的伽利略擺動學說的擴充。

在研製擺鐘時，惠更斯還進一步研究了單擺運動，他製作了一個秒擺（周期為2秒的單擺），導出了單擺的運動公式。在精確地取擺長為3.0565英尺時，他算出了重力加速度為9.8米/秒2。這一數值與現在我們使用的數值是完全一致的。

後來，惠更斯和胡克還各自發現了螺旋式彈簧絲的振蕩等時性，這為近代遊絲懷錶和手錶的發明創造了條件。

在力學方面的研究，惠更斯是以伽利略所創建的基礎為出發點的。在《論擺鐘》一書中還論述了關於碰撞的問題。大約在1669年，惠更斯就已經提出解決了碰撞問題的一個法則――“活力”守恆原理，它成為能量守恆的先驅。惠更斯繼承了伽利略的單擺振動理論，並在此基礎上進一步研究。他把幾何學帶進了力學領域，用令人欽佩的方法處理力學問題，得到了人們的充分肯定。