荷蘭物理學家、天文學家、數學家。1629年 4月14日出生于海牙。父親是大臣和詩人,與R.笛卡兒等學界名流交往甚密。惠更斯自幼聰慧,13歲時曾自制一臺車床,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,致力于力學、光學、天文學及數學的研究。他善于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,一心致力于科學事業,終生未婚。1695年7月8日在海牙逝世。
惠更斯曾首先集中精力研究數學問題,從1651年起,對于圓、二次曲線、復雜曲線、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。
從1652年開始他研究彈性物體的碰撞。1668~1669年英國皇家學會為解決對心碰撞問題懸賞征文,惠更斯是得獎者之一。他全面細致地解決了完全彈性碰撞問題,證明了在這種碰撞中同一方向上的動量保持不變,糾正了笛卡兒不考慮動量具有方向性的錯誤,而且首次提出這種碰撞前后的Σmv2守恒。他還通過對比船上與岸上兩人手中小球的碰撞情況的生動例子,闡明相對性原理也適用于碰撞現象。這是從特殊情況的碰撞出發首次利用相對性原理得出了守恒定律的結論。
為適應當時天文和航海發展的需要,重力齒輪式的時計亟待改進。1656年開始,惠更斯首先將擺引入時鐘,發明了擺鐘,并發表了《擺鐘》(1658)及《擺式時鐘或用于時鐘上的擺的運動的幾何證明》(1673)。后者是他的代表作之一,體現了他以全新的理論給出數學上的完全解從而解決技術設計難題的特點,例如,書中提出了著名的單擺周期公式,指出單擺的運動不嚴格等時。而后他從證明擺線(即旋輪線)的幾何性質開始,進而研究在機械上的應用,利用擺線理論設計出嚴格等時的擺鐘結構(包括擒縱器的設置)。他提出了復擺的完整理論,并且導出與復擺振蕩中心有關的一些物理問題;這是在力學上第一次求解在已知力的作用下受約束的質點系問題。他還用擺求出重力加速度的準確值,并曾建議用秒擺的長度作為自然長度標準。他在這本書和另一篇著作《關于運動及離心力》中,提出過有關圓周運動及離心力的若干重要結果,包括向心加速度概念和向心加速度公式,這有助于I.牛頓得出萬有引力定律。他又研究了簡諧運動及彈簧振動,并用游絲代替掛擺,設計出許多種鐘表等時結構(例如海上用以測量地理經度的懷表等)。在解決以上這些問題時,他還提出了由若干重物組成的機械系統在重力作用下運動時系統的重心不可能超過原來高度,這是機械能守恒原理的最初表述形式之一。
惠更斯早年在光學儀器和工藝方面也有不少成就。1650年起與其弟用新法研磨球面透鏡,作出的望遠鏡質量優良,用它發現了土星光環和土衛六、獵戶座星云等。他深入研究了幾何光學理論和應用光學技術,例如折射定律及折射率、眼睛及眼鏡片、透鏡的放大率、焦深、球差與色差及其消除,以及改進望遠鏡與顯微鏡等等。他發明的目鏡效果良好,被稱為惠更斯目鏡,至今通用。1681~1687年,他磨制了幾種幾十米長焦距(最長的達63米)的物鏡,懸在高桿上與目鏡配成色差很小無管“空中望遠鏡”,這種設備曾在天文觀測中用了幾乎一世紀。
惠更斯在1679年向法國科學院的報告和1690年出版的《光論》中,提出了著名的光的波動理論,從數學上給出尋求光傳播方向的普遍方法。他認為光在透明物質中的傳播不可能是物質的轉移而是某種物質運動的傳遞,由于這種傳遞是通過粒子碰撞進行的,因此,“光線不是純幾何線,光速也不是無限的”。他在假定光以太的彈性特征并對比光和聲的傳播現象異同的基礎上,提出他的著名原理(被稱為惠更斯原理):“光波發射時,傳播光的每一物質粒子不只把運動傳給前面的鄰近粒子(與原始粒子和光源位于同一直線上),而且還應傳給周圍所有其他和自己接觸并阻礙自己運動的粒子。因此,在每一粒子周圍就產生以此粒子為中心的波”(《光論》)。這樣,就引入了子波概念。利用包絡面作圖法,解釋了光的反射、折射定律,特別是解釋了冰洲石的雙折射現象,區分了尋常光的球狀波與非尋常光的橢圓面波。在研究兩塊冰洲石雙折射時他發現了偏振現象,但未能解釋;同時,由于他缺乏周期性概念,認為“由于這些波源受到的撞擊并不具有規則的連續性,不必假定這些波之間會有等距離間隔”(同前)。由于牛頓的權威及惠更斯研究的缺陷,惠更斯的波動理論當時沒有受到應有的重視。直到 19世紀初波動說經T.楊和A.-J.菲涅耳等人重新闡發,才成為近代物理學中重要的組成部分。至于光以太概念在以后幾個世紀的科學發展中成了重要的論題。
惠更斯的其他科學成就還有:與R.胡克一起斷定在常壓下冰的熔點與水的沸點都是恒定的溫度,并建議定為溫標固定點(1665),但直到18世紀才被采用;研究了引力問題并推證地球為扁球形(1659);在天文望遠鏡上加裝測微器,從而提高了觀測精度(1659);改進氣壓計(1661);還第一個提出利用火藥、蒸汽、風力等為動力的各種機器雛型(1673),可以說是研制內燃機等這類機械的開端,他的學生在他的影響下,后來制造出能實用的蒸汽機。
惠更斯既重實驗,更重推理,善于在數學理論的基礎上把自然現象歸于機械原因,他有力地加強了物理學在17世紀的奠基工作。
參考書目 A.I.Sabra, Theories of Light from Descartes to Newton, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1981.
《中國大百科全書 物理學Ⅰ》 第575頁 作者 :李志超
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