Христиан Гюйгенс

Христиан Гюйгенс (нидерл. Christiaan Huygens; 14 апреля 1629, Гаага — 8 июля 1695, там же) — нидерландский математик, механик, физик, астроном и изобретатель, один из основоположников волновой теории света, классической механики и теории вероятностей. Член Лондонского королевского общества (1663) и иностранный член Парижской академии наук (1666). Гюйгенс известен созданием маятниковых часов, открытием колец Сатурна и его спутника Титана, а также разработкой теории эволюции (огибающей) для объяснения распространения света.

Биография

Ранние годы и образование

Христиан Гюйгенс родился в семье Константина Гюйгенса — известного дипломата, поэта и композитора, секретаря принцев Оранских. Мать, Сюзанна ван Барле, умерла, когда Христиану было восемь лет. Домашнее образование под руководством отца и частных учителей включало изучение древних языков, математики и музыки. В 1645 году Гюйгенс поступил в Лейденский университет, где изучал право и математику под руководством Франциска ван Схотена. В 1647 году продолжил обучение в Collegium Arausiacum в Бреде. В 1649 году совершил дипломатическую поездку в Данию в составе посольства.

Научная деятельность в Нидерландах

В 1650-х годах Гюйгенс занялся самостоятельными исследованиями. В 1651 году опубликовал первую работу «Theoremata de quadratura hyperboles, ellipsis et circuli» (Теоремы о квадратуре гиперболы, эллипса и круга), посвящённую математическому анализу. В 1654 году совместно с братом Константином младшим начал шлифовку линз для телескопов, добившись значительного улучшения их качества. В 1655 году с помощью собственноручно изготовленного телескопа открыл Титан — крупнейший спутник Сатурна, а в 1656 году — туманность Ориона и внутреннее строение кольца Сатурна, которое он первоначально описал как «тонкое плоское кольцо, нигде не прикасающееся к планете».

Парижский период

В 1666 году по приглашению Жана-Батиста Кольбера Гюйгенс переехал в Париж и стал одним из первых членов только что основанной Парижской академии наук. В Париже он прожил с перерывами до 1681 года, занимаясь физикой, астрономией и механикой. В 1673 году опубликовал фундаментальный труд «Horologium oscillatorium sive de motu pendulorum» (Маятниковые часы, или о движении маятника), в котором изложил теорию колебаний маятника, центробежной силы и законы упругого удара. В 1678 году представил Академии мемуар «Трактат о свете», в котором сформулировал принцип Гюйгенса — метод построения волновых фронтов.

Возвращение в Гаагу и последние годы

После отмены Нантского эдикта в 1685 году и усиления религиозной нетерпимости во Франции Гюйгенс, будучи протестантом, покинул Париж и вернулся в Гаагу. В последние годы жизни он занимался космологией, написав трактат «Cosmotheoros» (1698, издан посмертно), в котором высказал идеи о множественности обитаемых миров. Умер 8 июля 1695 года в Гааге.

Научные достижения

Математика

Гюйгенс внёс вклад в развитие теории вероятностей. В 1657 году опубликовал трактат «De ratiociniis in ludo aleae» (О расчётах в азартной игре), который стал одним из первых систематических изложений теории вероятностей. В нём он ввёл понятие математического ожидания, решил задачи о разделении ставок и о длительности игры. В математическом анализе Гюйгенс разработал методы вычисления длины дуги циклоиды и площади под ней, а также исследовал свойства эвольвент и эволют.

Физика

Механика

В механике Гюйгенс независимо от Галилея сформулировал законы движения маятника. Он установил, что период колебаний математического маятника не зависит от амплитуды только при малых углах, и вывел формулу для периода колебаний. В 1673 году вывел законы упругого удара тел, введя понятие «живой силы» (прообраз кинетической энергии) и принцип относительности движения. Гюйгенс первым дал точное определение центробежной силы и вывел её формулу, что позволило объяснить форму Земли (сплюснутость у полюсов).

Оптика

Гюйгенс является основоположником волновой теории света. В «Трактате о свете» (1690) он сформулировал принцип, согласно которому каждая точка волнового фронта является источником вторичных сферических волн, а огибающая этих волн даёт положение нового фронта. Этот принцип (принцип Гюйгенса) позволил объяснить отражение, преломление и двойное лучепреломление света в кристаллах исландского шпата. Гюйгенс также открыл поляризацию света, наблюдая двойное лучепреломление.

Астрономия

Гюйгенс внёс значительный вклад в астрономию благодаря усовершенствованию телескопов. Он разработал конструкцию длиннофокусного телескопа (так называемый «воздушный телескоп»), в котором объектив и окуляр соединялись без трубы, что позволяло уменьшить хроматическую аберрацию. С помощью таких телескопов он:

• Открыл Титан (спутник Сатурна) в 1655 году.
• Обнаружил кольца Сатурна и определил их истинную природу (в отличие от Галилея, который видел их как «ручки»).
• Открыл туманность Ориона и внутреннюю структуру туманности Андромеды.
• Составил карту поверхности Марса, отметив его тёмные и светлые области.
• В 1659 году измерил продолжительность марсианских суток (около 24 часов 40 минут).

Изобретения

Маятниковые часы

Главное изобретение Гюйгенса — маятниковые часы, запатентованные в 1656 году. В отличие от более ранних конструкций, в которых маятник использовался для поддержания хода, Гюйгенс применил маятник в качестве регулятора, обеспечивающего равномерность хода. Он изобрёл анкерный спусковой механизм, который передавал импульс маятнику и позволял отсчитывать колебания. В 1675 году Гюйгенс также изобрёл балансир со спиральной пружиной для карманных часов, что стало основой для создания точных переносных хронометров.

Другие изобретения

• Пороховой двигатель (прообраз внутреннего сгорания) — в 1673 году Гюйгенс предложил использовать взрыв пороха для подъёма поршня в цилиндре, что впоследствии повлияло на разработку паровых машин.
• Усовершенствование микроскопа — Гюйгенс разработал двухлинзовый окуляр (окуляр Гюйгенса), который до сих пор используется в оптических приборах.
• Планетарий — в 1680-х годах построил механическую модель Солнечной системы, демонстрирующую движение планет.

Основные труды

• «Theoremata de quadratura hyperboles, ellipsis et circuli» (1651)
• «De ratiociniis in ludo aleae» (1657)
• «Systema Saturnium» (1659) — описание системы Сатурна, включая кольца и спутник Титан.
• «Horologium oscillatorium sive de motu pendulorum» (1673) — основной труд по механике.
• «Traité de la lumière» (1690) — изложение волновой теории света.
• «Cosmotheoros» (1698, посмертно) — космологические размышления.

Память

Именем Гюйгенса названы:

• Кратер на Луне (диаметр 42 км).
• Кратер на Марсе.
• Гора Гюйгенса (Mons Huygens) на Луне — высочайшая вершина видимой стороны Луны (около 5,5 км).
• Астероид (2801) Huygens.
• Космический зонд «Гюйгенс» (Huygens) — спускаемый аппарат миссии «Кассини-Гюйгенс», совершивший посадку на Титан в 2005 году.
• Лаборатория Гюйгенса в Лейденском университете (Huygens Laboratory).
• Принцип Гюйгенса — фундаментальный принцип волновой оптики.
• Окуляр Гюйгенса — тип окуляра в оптических приборах.

Источники

• Христиан Гюйгенс. Трактат о свете. — М.: Издательство АН СССР, 1950.
• Гюйгенс Х. Маятниковые часы, или о движении маятника. — М.: Наука, 1987.
• Веселовский И. Н. Христиан Гюйгенс. — М.: Просвещение, 1969.
• Боголюбов А. Н. Математики. Механики. Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1983.
• Еремеева А. И., Цицин Ф. А. История астрономии. — М.: Издательство МГУ, 1989.