Биография

Кристиан Хюйгенс е холандски механик, физик, математик, астроном и изобретател.

Един от основателите на теоретичната механика и теорията на вероятностите. Има значителен принос в оптиката, молекулярната физика, астрономията, геометрията, часовникарството. Откри пръстените на Сатурн и Титан (луна на Сатурн). Първи чуждестранен член на Лондонското кралско общество (1663), член на Френската академия на науките от основаването й (1666) и неин първи президент (1666-1681).

Хюйгенс е роден в Хага през 1629 г. Баща му Константин Хюйгенс (Хюйгенс), таен съветник на принцовете на Оранж, е забележителен писател, който също получава добро научно образование. Константин е приятел на Декарт, а картезианската философия (картезианството) има голямо влияние не само върху баща му, но и върху самия Кристиан Хюйгенс.

Младият Хюйгенс учи право и математика в университета в Лайден, след което решава да се посвети на науката. През 1651 г. той публикува Беседи върху квадратурата на хиперболата, елипсата и окръжността. Заедно с брат си той подобри телескопа, довеждайки го до 92 пъти увеличение и започна да изучава небето. Първата слава дойде на Хюйгенс, когато откри пръстените на Сатурн (Галилео също ги видя, но не можа да разбере какво представляват) и спътника на тази планета Титан.

През 1657г Хюйгенсполучава холандски патент за дизайна на часовник с махало. През последните години от живота си Галилей се опита да създаде този механизъм, но прогресивната слепота му попречи. Часовникът на Хюйгенс наистина работеше и осигуряваше отлична точност за това време. Централният елемент на дизайна беше котвата, изобретена от Хюйгенс, която периодично натискаше махалото и поддържаше незатихващи трептения. Проектиран от Хюйгенс, точен и евтин часовник с махало бързо се използва широко в целия свят. През 1673 г. Хюйгенс публикува изключително информативен трактат върху кинематиката на ускореното движение под заглавието „Часовник с махало“. Тази книга беше настолна книга за Нютон, който завърши изграждането на основата на механиката, започната от Галилей и продължена от Хюйгенс.

През 1661 г. Хюйгенс пътува до Англия. През 1665 г. по покана на Колбер се установява в Париж, където през 1666 г. е създадена Парижката академия на науките. По предложение на същия Колбер Хюйгенс става първият му президент и ръководи Академията в продължение на 15 години. През 1681 г., във връзка с планираната отмяна на Нантския едикт, Хюйгенс, не искайки да приеме католицизма, се завръща в Холандия, където продължава научните си изследвания. В началото на 1690 г. здравето на учения започва да се влошава, той умира през 1695 г. Последната работа на Хюйгенс е Kosmoteoros, в която той аргументира възможността за живот на други планети.

Научна дейност

Лагранж пише, че Хюйгенс „е бил предопределен да усъвършенства и развие най-важните открития на Галилей“.

Математика

Кристиан Хюйгенс започва научната си дейност през 1651 г. с есе върху квадратурата на хиперболата, елипсата и окръжността. През 1654 г. той разработва обща теория за еволютите и еволютите, изследва циклоида и верижната верига, развива теорията за непрекъснатите дроби.

През 1657 г. Хюйгенс написва приложение „За изчисленията в хазарта“ към книгата на своя учител ван Шутен „Математически етюди“. Това беше първото изложение на началото на възникващата тогава теория на вероятностите. Хюйгенс, заедно с Ферма и Паскал, полагат основите му, въвеждат фундаменталната концепция за математическото очакване. От тази книга Яков Бернули се запознава с теорията на вероятностите, което завършва създаването на основите на теорията.

Механика

През 1657 г. Хюйгенс публикува описание на дизайна на изобретения от него часовник с махало. Докато ученине е имал такова устройство, необходимо за експерименти като точен часовник. Галилей, например, когато изучавал законите на падането, броил ударите на собствения си пулс. Часовниците с колела, задвижвани от тежести, са били използвани дълго време, но тяхната точност е била незадоволителна. От времето на Галилей махалото се използва отделно за точно измерване на малки периоди от време и е необходимо да се брои броят на люлеенето. Часовникът на Хюйгенс имаше добра точност и след това ученият многократно, в продължение на почти 40 години, се обърна към изобретението си, подобрявайки го и изучавайки свойствата на махалото. Хюйгенс възнамерява да използва часовник с махало, за да реши проблема с определянето на географската дължина в морето, но не постига значителен напредък. Надежден и точен морски хронометър се появява едва през 1735 г. (във Великобритания).

През 1673 г. Хюйгенс публикува класическия механичен труд Часовникът с махало (Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica). Скромното име не бива да подвежда. В допълнение към теорията на часовниците, работата съдържа много първокласни открития в областта на анализа и теоретичната механика. Хюйгенс също квадратурира редица повърхности на въртене там. Това и другите му писания имаха дълбок ефект върху младия Нютон.

В първата част на работата Хюйгенс описва подобрено циклоидно махало, което има постоянно време на люлеене, независимо от амплитудата. За да обясни това свойство, авторът посвещава втората част на книгата на извеждането на общите закони за движение на телата в гравитационно поле - свободно, движещо се по наклонена равнина, търкалящо се по циклоида. Трябва да се каже, че това подобрение не е намерило практическо приложение, тъй като при малки колебания увеличението на точността от циклоидното увеличаване на теглото е незначително. Самата методология на изследване обаче влезе в златния фонд на науката.

Хюйгенс извежда законите за равномерно ускорено движение на свободно падащи тела, основавайки се на предположението, че действието, приложено на тялото от постоянна сила, не зависи от големината и посоката на началната скорост. Извеждайки връзката между височината на падането и квадрата на времето, Хюйгенс прави забележката, че височините на паданията са свързани като квадратите на придобитите скорости. Освен това, разглеждайки свободното движение на тяло, хвърлено нагоре, той установява, че тялото се издига до най-голямата височина, след като е загубило цялата скорост, която му е съобщена, и я придобива отново, когато се връща обратно.

Галилей допуска без доказателство, че при падане по различни наклонени прави линии от една и съща височина телата придобиват равни скорости. Хюйгенс доказва това по следния начин. Две прави линии с различен наклон и еднаква височина са прикрепени с долните си краища една към друга. Ако тяло, спуснато от горния край на единия от тях, придобие по-голяма скорост от това, изстреляно от горния край на другия, тогава то може да бъде изстреляно по първата от такава точка под горния край, така че скоростта, придобита отдолу, е достатъчна за повдигане на тялото до горния край на втората права линия; но тогава ще се окаже, че тялото се е издигнало на височина, по-голяма от тази, от която е паднало, а това не може да бъде. От движението на тялото по наклонена права Хюйгенс преминава към движение по начупена линия и след това към движение по някаква крива и доказва, че скоростта, придобита при падане от произволна височина по кривата, е равна на скоростта, придобита по време на свободно падане от една и съща височина по вертикална линия и че една и съща скорост е необходима за повдигане на едно и също тяло на една и съща височина както по вертикална права линия, така и по крива. След това, преминавайки към циклоидата и разглеждайки някои от нейните геометрични свойства, авторът доказва тавтохронизма на движенията на тежката точка по циклоидата.

В третата част на работата е представена теорията за еволютите и еволютите, открита от автора през 1654 г.; тук той намира формата и позицията на еволютата на циклоидата. Четвъртата част представя теорията на физическото махало; тук Хюйгенс решава проблема, който не е бил поставен на толкова много съвременни геометри - проблемът за определяне на центъра на трептенията. Тя се основава на следното предложение:

Ако сложно махало, напуснало покой, е завършило определена част от своето люлеене, повече от половин люлеене, и ако връзката между всичките му частици е разрушена, тогава всяка от тези частици ще се издигне на такава височина, че общият им центърът на тежестта ще бъде на тази височина, на която е бил при излизане на махалото от покой. Това твърдение, недоказано от Хюйгенс, му изглежда като основен принцип, докато сега е просто следствие от закона за запазване на енергията.

Теорията на физическото махало е дадена от Хюйгенс в доста обща форма и приложена към тела от различни видове. Хюйгенс коригира грешката на Галилей и показа, че изохронизмът на трептенията на махалото, обявен от последния, се осъществява само приблизително. Той също така отбеляза още две грешки на Галилей в кинематиката: равномерното движение в кръг се свързва с ускорение (Галилео отрече това), а центробежната сила е пропорционална не на скоростта, а на квадрата на скоростта.

В последната, пета част на своя труд Хюйгенс дава тринадесет теореми за центробежната сила. Тази глава дава за първи път точен количествен израз на центробежната сила, която впоследствие изиграва важна роля в изследването на движението на планетите и откриването на закона за всемирното привличане. Хюйгенс дава в него (устно) няколко основни формули:

Астрономия

Хюйгенс сам подобри телескопа; през 1655 г. той открива луната на Сатурн Титан и описва пръстените на Сатурн. През 1659 г. той описва цялата система на Сатурн в публикуван от него труд.

През 1672 г. той открива ледена шапка на Южния полюс на Марс. Той също така открива мъглявината Орион и други мъглявини, наблюдава двойни звезди, оценява (доста точно) периода на въртене на Марс около оста си.

Последната книга „ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae“ (на латински; публикувана посмъртно в Хага през 1698 г.) е философско и астрономическо размишление върху Вселената. Той вярваше, че други планети също са обитавани от хора. Книгата на Хюйгенс е широко разпространена в Европа, където е преведена на английски (1698), холандски (1699), френски (1702), немски (1703), руски (1717) и шведски (1774) езици. С указ на Петър I тя е преведена на руски език от Яков Брус под заглавието „Книгата на мирогледа“. Смята се за първата книга в Русия, която описва хелиоцентричната система на Коперник.

В тази работа Хюйгенс прави първия (заедно с Джеймс Грегъри) опит да определи разстоянието до звездите. Ако приемем, че всички звезди, включително Слънцето, имат подобна светимост, тогава чрез сравняване на тяхната видима яркост можем грубо да оценим съотношението на техните разстояния (разстоянието до Слънцето тогава вече беше известно с достатъчна точност). За Сириус Хюйгенс получава разстояние от 28 000 астрономически единици, което е около 20 пъти по-малко от истинското (публикувано посмъртно през 1698 г.).

Оптика и вълнова теория

Хюйгенс участва в съвременни спорове за природата на светлината. През 1678 г. той публикува Трактат за светлината, очертание на вълновата теория на светлината. Друга забележителна работа той публикува през 1690 г.; там той представи качествената теория за отражението, пречупването и двойното пречупване в исландския шпат в същата форма, както сега е представена в учебниците по физика. Той формулира "принципа на Хюйгенс", който позволява да се изследва движението на вълновия фронт, който впоследствие е разработен от Френел и играе важна роля във вълновата теория на светлината. Открива поляризацията на светлината (1678).

Той притежава оригиналното подобрение на телескопа, използван от него при астрономически наблюдения и споменат в параграфа за астрономията, той изобретява "окуляра Хюйгенс", състоящ се от две плоско-изпъкнали лещи (използва се и днес). Той е и изобретателят на диаскопичния проектор – т.нар. "магически фенер"

Други постижения

Хюйгенс обосновава (теоретично) сплескаността на Земята на полюсите и също така обяснява влиянието на центробежната сила върху посоката на гравитацията и върху дължината на второто махало на различни географски ширини. Той даде решение на проблема за сблъсъка на еластични тела, едновременно с Уолис и Рен (публикуван посмъртно) и едно от решенията на проблема за формата на тежка хомогенна верига в равновесие (верижна линия).

Той притежава изобретението на часовата спирала, която заменя махалото, което е изключително важно за навигацията; Първият часовник със спирала е проектиран в Париж от часовникаря Тюре през 1674 г. през 1675 г. патентова джобен часовник.

Хюйгенс е първият, който призовава за избора на универсална естествена мярка за дължина, която той предлага като 1/3 от дължината на махалото с период на трептене 1 секунда (това е около 8 см).

Основни писания

Horologium oscillatorium, 1673 (часовник с махало, на латински).
Kosmotheoros. (Превод на английски на изданието от 1698 г.) - Астрономически открития на Хюйгенс, хипотези за други планети.
Трактат за светлината (Трактат за светлината, превод на английски).

Холандският физик, механик, математик и астроном, Кристиан Хюйгенс, е непосредственият наследник на Галилей в науката. Лагранж каза, че Хюйгенс „е бил предопределен да подобри и развие най-важните открития на Галилей“. Хюйгенс за първи път се докосна до идеите на Галилей на 17-годишна възраст: той щеше да докаже, че телата, хвърлени хоризонтално, се движат по парабола, и намери такова доказателство в книгата на Галилей.

Бащата на Хюйгенс идва от холандско благородническо семейство и получава отлично образование: познава езиците и литературата на много народи и епохи, самият той пише поетични произведения на латински и холандски. Той беше и познавач на музиката и живописта, тънък и остроумен човек. Интересувал се е от постиженията на науката в областта на математиката, механиката и оптиката. Оригиналността на неговата личност се потвърждава от факта, че сред приятелите му имаше много известни хора, включително известния Рене Декарт, изключителен френски учен.

Влиянието на Декарт беше силно отразено във формирането на мирогледа на неговия син, бъдещият велик учен.

Детство и младост.

На осемгодишна възраст Кристиян научава латински, знае четирите стъпки на аритметиката, а на девет години се запознава с географията и началото на астрономията, знае как да определя часа на изгрев и залез през всички сезони. Когато Кристиан е на десет години, той се научава да композира стихове на латински и да свири на цигулка, на единадесет се запознава със свиренето на лютня, а на дванадесет вече познава основните правила на логиката.

След като научава гръцки, френски и италиански език, както и свиренето на клавесин, Кристиян се насочва към механиката, която го пленява напълно. Той конструира различни машини, например сам си прави струг. През 1643 г. учителят на Кристиан казва на баща му: „Кристиян трябва да се нарече чудо сред момчетата ... Той развива способностите си в областта на механиката и конструкциите, прави невероятни машини ...“.

Освен това Кристиян учи математика, конна езда и танци. Запазен е ръкописен математически курс за Кристиан, съставен от известния математик, приятел на Декарт, Франсис Шутен. Курсът обхващаше принципите на алгебрата и геометрията, неопределените уравнения от аритметиката на Диофант, ирационалните числа, извличането на квадратни и кубични корени и теорията на алгебричните уравнения от по-високи степени. Пренаписана книга на Декарт "Геометрия". След това са дадени приложения на алгебрата към геометрията и уравненията на геометричното място. Накрая се разглеждат конични сечения и се дават задачи за построяване на допирателни към различни криви по методите на Декарт и Ферма.

На шестнадесет години Кристиан, заедно с брат си, постъпват в университета в Лайден, за да следват право и в същото време изучават математика при Шоутен, който изпраща на Декарт първата му математическа работа за рецензия. Декарт възхвалява „математическите изобретения“ на Кристиан: „Въпреки че той не е получил точно това, от което се нуждае, това в никакъв случай не е странно, тъй като той се е опитал да намери неща, в които никой друг не е успял. Той се зае с този въпрос така, че съм сигурен, че ще стане изключителен учен в тази област.

По това време Кристиан изучава Архимед, „Коничните сечения“ на Аполоний, оптиката на Витело и Кеплер, „Диоптриката“ на Декарт, астрономията на Птолемей и Коперник и механиката на Стевин. Запознавайки се с последното, Хюйгенс доказва, че твърдението, че равновесната фигура на нишка, свободно окачена между две точки, е парабола, е невярно. Към момента е известно, че нишката ще бъде разположена по т. нар. контактна мрежа.

Кристиан си кореспондира с Марин Мерсен, францискански монах, издател на френския превод на Механиката на Галилей и резюме на неговите диалози... Мерсен живо се интересува от научните постижения на своето време и в писма съобщава за най-новите открития и най-интересните проблеми в математиката и механиката. В онези дни такава кореспонденция заместваше липсващите научни списания.

Мерсен изпрати на Кристиан интересни задачи. От писмата му той се запознава с циклоидата и центъра на люлеене на физическото махало. След като научи за критиката на Хюйгенс за параболичната форма на нишката, Мерсен съобщи, че същата грешка е допусната от самия Галилей и поиска да му бъде изпратено пълното доказателство.

Завършвайки доклада си до Мерсен за работата си, той пише: „Реших да се опитам да докажа, че тежките тела, изхвърлени нагоре или настрани, описват парабола, но междувременно попаднах на книгата на Галилей за ускореното естествено или насилствено движение; когато видях, че той е доказал това и много повече, вече не исках да пиша Илиада по Омир.

Хюйгенс и Архимед.

След Лайден Кристиан с по-малкия си брат Лодевик отива да учи в Orange Collegium. Бащата, очевидно, подготвяше Кристиан за държавна дейност, но това не изкуши Кристиан.

В духа на Архимед двадесет и три годишният Кристиан написа книга за теорията на плаващите тела: „За равновесието на телата, плаващи в течност“. По-късно, през 1654 г., се появява друга работа в духа на Архимед, Открития за размера на окръжността, която представлява напредък в Архимедово измерване на окръжността. Хюйгенс получава стойността на pi с осем правилни знака след десетичната запетая. Това включва и работата „Теореми за квадратурата на хиперболата, елипсата и окръжността и центъра на тежестта на техните части“.

Написан през 1657 г., трактатът За изчисленията в хазарта е един от първите известни трудове по теория на вероятностите.

Хюйгенс и оптика.

Още през 1652 г. Хюйгенс се интересува от темата, разработена от Декарт. Това беше диоптриката - учението за пречупването на светлината. Той пише на своя приятел: „Почти съм написал две книги по този въпрос, към които е добавена трета: първата говори за пречупване в плоски и сферични повърхности ..., втората е за видимо увеличаване или намаляване на изображенията на обекти, получени чрез пречупване. Третата книга, която трябваше да говори за телескопи и микроскопи, беше написана малко по-късно. Хюйгенс работи с прекъсвания върху диоптриката в продължение на около 40 години (от 1652 до 1692 г.).

Отделни глави от първа част на "Диоптрика" са посветени на пречупването на светлината в плоски и сферични повърхности; авторът дава експериментално определяне на индекса на пречупване на различни прозрачни тела и разглежда проблемите на пречупването на светлината в призми и лещи. След това той определя фокусното разстояние на лещите и изследва връзката между позицията на обекта върху оптичната ос на лещата и позицията на нейното изображение, т.е. получава израза на основната формула на лещата. Първата част на книгата завършва с разглеждане на структурата на окото и теорията за зрението.

Във втората част на книгата Хюйгенс говори за обратимостта на една оптична система.

В третата част на книгата авторът отделя голямо внимание на сферичната аберация (изкривяване) на лещите и методите за нейното коригиране. За редица специални случаи той намира формата на пречупващите повърхности на лещите, които не дават сферична аберация. За да се намалят аберациите на телескопа, Кристиан предлага дизайн на "въздушен телескоп", при който обективът и окулярът не са свързани. Дължината на "въздушния телескоп" на Хюйгенс е 64 м. С помощта на този телескоп той открива спътник на Сатурн, Титан, а също така наблюдава четири спътника на Юпитер, открити преди това от Галилей.

Хюйгенс с помощта на своите телескопи също успя да обясни странния външен вид на Сатурн, който обърка астрономите, като се започне от Галилей - той установи, че тялото на планетата е заобиколено от пръстен.

През 1662 г. Хюйгенс предлага и нова оптична система за окуляра, която по-късно е кръстена на него. Този окуляр се състоеше от две положителни лещи, разделени от голяма въздушна междина. Такъв окуляр по схемата на Хюйгенс днес се използва широко от оптиците.

През 1672-1673 г. Хюйгенс се запознава с хипотезата на Нютон за състава на бялата светлина. Приблизително по същото време той формира идеята за вълнова теория на светлината, която намира израз в известния "Трактат за светлината", публикуван през 1690 г.

Хюйгенс и механиката.

Хюйгенс трябва да се постави в самото начало на дълга поредица от изследователи, участвали в установяването на универсалния закон за запазване на енергията.

Хюйгенс предлага метод за определяне на скоростите на телата след техния сблъсък. Основният текст на неговия трактат „Теорията за удара на твърдите тела“ е завършен през 1652 г., но характерното критично отношение на Хюйгенс към неговите произведения води до факта, че трактатът е публикуван едва след смъртта на Хюйгенс. Вярно е, че докато е в Англия през 1661 г., той демонстрира експерименти, потвърждаващи неговата теория за удара. Секретарят на Кралското дружество в Лондон пише: „Топка с тегло един фунт беше окачена под формата на махало; когато беше освободен, той беше ударен от друга топка, окачена по същия начин, но тежаща само половин фунт; ъгълът на отклонение беше четиридесет градуса и Хюйгенс, след малко алгебрично изчисление, предсказа какъв ще бъде резултатът, който се оказа точно такъв, какъвто беше предсказаният.

Хюйгенс и часовник.

Периодът от декември 1655 г. до октомври 1660 г. е най-големият разцвет на научната дейност на Хюйгенс. По това време, в допълнение към завършването на теорията за пръстена на Сатурн и теорията на удара, бяха завършени почти всички основни произведения на Хюйгенс, които му донесоха слава.

Хюйгенс в много отношения наследи и подобри решението на проблемите, предприети от Галилей. Например, той се обърна към изследването на изохронния характер на люлеенето на математическото махало (свойство на трептенията, което се проявява във факта, че честотата на малките трептения практически не зависи от тяхната амплитуда). Вероятно някога това е било първото откритие на Галилей в механиката. Хюйгенс имаше възможност да допълни Галилей: изохронизмът на математическото махало (т.е. независимостта на периода на трептене на махало с определена дължина от амплитудата на люлеенето) се оказа валиден само приблизително и дори тогава за малки ъгли на отклонение на махалото. И Хюйгенс реализира идеята, която занимава Галилей през последните му години от живота: той проектира часовник с махало.

Задачата за създаване и подобряване на часовници, особено часовници с махало, Хюйгенс се занимава почти четиридесет години: от 1656 до 1693 г.

Един от основните мемоари на Хюйгенс, посветен на разглеждането на резултатите в математиката и механиката, е публикуван през 1673 г. под заглавието „Часовници с махало или геометрични доказателства, свързани с движението на махала, монтирани на часовници“. Опитвайки се да реши един от основните проблеми на живота си - да създаде часовник, който може да се използва като морски хронометър, Хюйгенс измисли много решения и обмисли много проблеми, изследвайки възможностите за тяхното приложение към този проблем: циклоидното махало , теорията на кривите на изместване, центробежните сили и тяхната роля и др. В същото време той решава възникващи математически и механични проблеми. Защо задачата за създаване на часовници толкова привлече известния учен?

Часовниците са едно от най-древните човешки изобретения. Отначало беше слънчева, водна, пясъчни часовници; През Средновековието се появяват механичните часовници. Дълго време бяха обемисти. Имаше няколко начина за превръщане на ускореното падане на товара в равномерно движение на стрелките, но дори астрономическият часовник на Тихо Брахе, известен със своята точност, беше „сверяван“ принудително всеки ден.

Галилей беше този, който пръв откри, че трептенията на махалото са изохронни и възнамеряваше да използва махалото за създаване на часовници. През лятото на 1636 г. той пише на холандския адмирал Л. Реал за свързването на махало с брояч на колебания (това всъщност е проектът за часовник с махало!). Въпреки това, поради болест и предстояща смърт, Галилей не завърши работата.

Трудният път от лабораторни експерименти до създаването на часовници с махало е преодолян през 1657 г. от Кристиан Хюйгенс, вече известен учен по това време. На 12 януари 1657 г. той пише:

„Тези дни открих нов дизайн на часовници, с които времето се измерва толкова точно, че няма малка надежда, че с тях ще може да се измерва географска дължина, дори ако трябва да се транспортират по море.“

От този момент до 1693 г. той се стреми да подобри часовника. И ако в началото Хюйгенс се проявява като инженер, използващ изохронното свойство на махалото в познат механизъм, то постепенно способностите му на физик и математик се проявяват все повече и повече.

Сред неговите инженерни открития имаше редица наистина изключителни. Часовникът на Хюйгенс беше първият, който приложи идеята за автоколебания въз основа на обратна връзка: енергията беше предадена на махалото по такъв начин, че „източникът на трептенията сам определяше моментите от време, когато се изисква доставка на енергия“. За Хюйгенс тази роля играе просто устройство под формата на котва с косо изрязани зъби, ритмично бутащо махалото.

Хюйгенс открива, че трептенията на махалото са изохронни само при малки ъгли на отклонение от вертикалата и решава да намали дължината на махалото с увеличаване на ъгъла на отклонение, за да компенсира отклоненията. Хюйгенс измисли как да го приложи технически.

Вълнова теория на светлината.

През седемдесетте години основното внимание на Хюйгенс е насочено към светлинните явления. През 1676 г. той идва в Холандия и се среща с един от създателите на микроскопията, Антони ван Льовенхук, след което се опитва сам да направи микроскоп.

През 1678 г. Хюйгенс пристига в Париж, където неговите микроскопи правят страхотно впечатление. Той ги демонстрира на среща на Парижката академия.

Кристиан Хюйгенс стана създател на вълновата теория на светлината, чиито основни положения са влезли в съвременната физика. Той очертава възгледите си в „Трактат за светлината“, публикуван през 1690 г. Хюйгенс вярва, че корпускулярната теория на светлината или теорията на изтичането противоречи на свойствата на светлинните лъчи да не се намесват един в друг при пресичане. Той вярваше, че Вселената е изпълнена с най-тънката и в най-висока степен подвижна еластична среда - световният етер. Ако една частица започне да трепти в което и да е място на етера, тогава трептенето се предава на всички съседни частици и една етерна вълна преминава през пространството от първата частица като център.

Вълновите концепции позволиха на Хюйгенс да формулира теоретично законите за отражение и пречупване на светлината. Той даде визуален модел на разпространението на светлината в кристалите.

Вълновата теория обяснява явленията на геометричната оптика, но тъй като Хюйгенс сравнява светлинните вълни и звуковите вълни и вярва, че те са надлъжни и се разпространяват под формата на импулси, той не може да обясни явленията интерференция и дифракция на светлината, които зависят от периодичност на светлинните вълни. Като цяло Хюйгенс се интересуваше много повече от вълните като разпространение на трептения в прозрачна среда, отколкото от механизма на самите трептения, който не му беше ясен.

Истории за учени във физиката. 2014

Първият механичен часовник, изобретен от китайците, се задвижваше от огромни, бавно въртящи се дървени водни колела. През 1300г имаше часовници с колела, задвижвани от спускане на тежести, но тези часовници бяха ненадеждни и неточни. Часовникът се нуждаеше от механизъм за регулиране на скоростта, който беше изобретен през 1600 г. Стотинката стана такъв механизъм, който намери първото практическо приложение в часовниците.

През 1582 г. италианският учен Галилео Галилей демонстрира, че махалото - тежест, окачена на тънък прът - винаги се люлее с постоянна скорост. Освен това той доказа, че скоростта на трептене зависи само от дължината на махалото, а не от размера на тежестта, прикрепена към края му. Например махало с дължина 1 м прави едно трептене (напред и назад) за 1 секунда. Но ако махало с тази дължина продължи да се люлее, то може да се използва за измерване на времето в секунди. Галилей има тази идея и през 1641 г. - година преди смъртта си - той казва на сина си Винченцо как да направи часовник, чийто ход се регулира с махало. Но Винченцо нямаше време да довърши работата; първите часовници с махало се появяват едва през 1657 г. Те са проектирани от холандския учен Кристиан Хюйгенс и са направени от часовникаря Соломон Костер в Хага. Те изоставаха или бягаха с 5 секунди на ден, което значително надвишаваше точността на всички часовници от онова време.

Часовниковите махала не са използвали конци, а метални пръти. Но температурата влияе върху метала, така че дължината на прътите се променя, което се отразява на точността на часовника. При горещо време металният прът се удължава, а при студено време се скъсява. Например, за часовник с едносекундно махало, за да загубите една секунда на ден, е достатъчно да увеличите дължината на махалото с 0,025 mm, което се случва, когато температурата се повиши само с 2 "C. Изобретателите скоро решиха този проблем чрез създаване на махало с постоянна дължина.През 1722 г. английският механик Джордж Греъм изобретява живачното махало (обявено през 1726 г.), като прикрепя стъклен съд, пълен с живак към края на махалото.Когато махалото се удължи надолу поради повишаване на температурата, това се компенсира от разширяването на живака в съда, действащ в обратна посока.

Друго решение е решетъчното махало от редуващи се ленти от стомана и мед, изобретено от английския часовникар Джон Харисън през 1728 г. Медта се разширява повече от стоманата, така че нейното разширение е компенсирано от по-малкото разширение на стоманата. Сега прътите на махалото са направени от Invar, сплав от желязо и никел, която почти не се разширява при нагряване. Тази сплав се използва и за направата на ролетки и камертони, за които постоянната дължина е много важна.

Ученик на Галилей, италианският учен Винченцо Вивиани прави тази скица на часовник с махало; вижте реконструкцията на махалото на фиг. нас. 13.

Този модел часовник с махало е създаден през 19 век. въз основа на скицата на Вивиани за проекта на Галилей. Източникът на енергия за часовника не е посочен там, така че може да се предположи, че е бил задвижван от низходящи тежести.

В механичния часовник скоростта, с която се освобождава енергията на падаща тежест, се контролира от механизъм, наречен изходен механизъм. Чук, окачен на махало, кара котвата да се люлее. Котвата последователно спира и освобождава спасителното колело, позволявайки му постепенно да освободи енергията на спускащата се тежест, която задвижва основното колело. Часова стрелка е прикрепена към оста на главното колело.

След като свято почиташе паметта на своя учител, Вивиани беше дълбоко наранен, когато 16 години след смъртта на Галилей попадна в ръцете на малка книга, публикувана в Холандия: Трактат за часовниците. Неговият автор Хюйгенс нарича изобретателя на часовника с махало не Галилей, а себе си. Той пише, че през 1657 г. е поръчал механизъм от Хага за овладяване на Соломон Костер и му е отстъпил привилегията, дадена за това изобретение от Генералните щати на Холандия. Вивиани написа опровергаващ памфлет, а принц Леополд де Медичи, към когото се обърна, пое ролята на посредник в този деликатен въпрос.

Когато Хюйгенс получава писмото на принца, то прозвучава като гръм от ясно небе за него. Обвиниха го в плагиатство! Как да докаже, че той дори не е подозирал за намерението на дълбоко уважавания от него Галилей да построи такъв часовник? И писмото директно поставя точката на i: той тайно успява да се запознае с тайната кореспонденция на Галилей с Генералните щати, използва неговите рисунки. Приложени са копия на рисунките на Галилей - вижте, изравнете ...

Хюйгенс, за щастие, беше известен. Математик, астроном, оптик, на 29 години той вече е признат от научния свят на Холандия, Франция и Англия. Той е приет в тайните архиви на Холандия, дадени му да прочете кореспонденцията с Галилей. Оказва се, че не се говори за часове, а за открит от италиански учен метод за определяне на географската дължина от спътниците на Юпитер, ясно видими в Галилеевия телескоп.

Второто, не по-малко важно обстоятелство: механизмът на Галилей изобщо не е подобен на механизма, изобретен от Хюйгенс.

Всичко това младият холандец каза в любезен отговор на принца Медичи. В крайна сметка той приписа, че смята за голяма чест да реши проблема за създаването на часовник с махало, с който великият Галилей не се справи, но безусловно признава първенството на Галилей в откриването на свойствата на махалото. (Вероятно всички участници в спора биха се учудили, ако знаят, че 200 години преди Хюйгенс и Галилей Леонардо да Винчи е изобретил часовника с махало. Но документите на Леонардо са открити едва след още три века.)

След като доказва непоследователността на обвиненията, Хюйгенс публикува през 1673 г. второто издание на Трактата за часовника, но не кратко описание на механизма, а задълбочен анализ на проблема. От петте части, съставляващи книгата, само първата е посветена на самия часовник. По-нататък беше изследвано махалото - както идеално, математическо, така и реално, физическо, чиято работа се оказа, както винаги се случва, много по-трудна за разбиране от принципите на идеала. Хюйгенс свързва дължината на физическото махало и периода на неговите трептения със силата на гравитацията (Галилео не може да изведе тази формула) и изчислява известната ж- константата на гравитацията, и то с много висока за това време точност. С една дума, както известният съветски историк на техниката Н.И. Иделсън, книгата "влезе в историята на науката като пример за сливането на технически, конструктивни проблеми с напълно нова теоретична основа за пълното им решение."

И още един изключително важен въпрос беше обсъден в книгата на Хюйгенс. Математически е доказано, че, противно на Галилей, периодът на трептене на махалото зависи от амплитудата на люлеенето. Разликата не може да се забележи, като се използва собствен пулс за измервания - не е изненадващо, че Галилей не е знаел за тази неравномерност.

На практика това отново означаваше същото: часовникът щеше да излъже. Несъвършенството на пистата ще доведе до факта, че силата, която тласка махалото, ще се променя през цялото време. Амплитудата на трептенията и периодът ще се окажат променливи, а секундите, отчитани от махалото, ще бъдат различни. Разбира се, грешките могат да бъдат намалени чрез намаляване на амплитудата, но те не могат да бъдат елиминирани по принцип.

Какво да правя? Трактатът дава описание не само на болестта, но и на лекарството. Можете да фиксирате махалото, като накарате товара му да се люлее по дъга не от кръг, а от циклоиди (точките на колело, търкалящо се по равен път, се движат по тази вълнообразна крива). Хюйгенс предлага да се направи прътът на махалото гъвкав и да се закрепи в точката на окачване между две различни бузи, всяка от които е огъната по циклоида. Тогава Хюйгенс твърди, че огъващият се прът ще накара лещата на махалото също да се движи по циклоидата.

Уви, изобретението не издържа теста на практиката. Триенето на пръта срещу бузите повлия по-значително на периода, отколкото променливостта на диапазона. Циклоидното махало не добави точност към добрия часовник, но просто не беше необходимо за лошия. След няколко неуспешни опита самият Хюйгенс го изоставя. Махалото се научи да описва правилната циклоида без никакви бузи само триста години по-късно благодарение на изобретението на съветския часовникар Ф.М. Федченко, за чиято работа ще говорим по-късно.

Но дори в най-простата си форма, махалото като регулатор на скоростта все още беше отлична находка. Грешката на показанията на часовника веднага намаля с 15 ... 20 пъти, те спряха да се оплакват от часовникарите. Точността вече не се измерваше в четвърт час, а в минути и дори няколко десетки секунди на ден. Колосална роля за бързото разпространение на иновациите изигра "технологичната пригодност" на изобретението. За разлика от движението на махалото на Галилей, движението на Хюйгенс не изискваше почти никаква промяна на механизма: беше необходимо само да се изхвърли Биляне и да се поставят на негово място няколко допълнителни колела и да се организира окачване на махало. И двете бяха по силите на часовникар със средни умения. Нямаше нужда да настройвате часовника след завършване: те започнаха веднага. Новостта бързо се разпространи в цяла Европа. Тя не заобиколи и Русия.

До края на XVII век. науката в Европа окончателно скъсва със схоластиката на Аристотел и за нея започва ново време – времето на доверието в опита. Най-важната роля в този обрат принадлежи на Галилео Галилей (1564-1642). Но от всичките му многобройни изследвания ще се съсредоточим само върху онези, в които главна роля играят наблюденията на най-обикновени явления, игнорирани от много хора преди него. Веднъж, когато 19-годишният Галилей седял в катедралата в Пиза по време на дълга проповед, слугата, който запалил свещите, тромаво бутнал лампата, висяща на дълго въже, и тя започнала да се люлее. Галилео отбеляза колко удара от неговия пулс съответстват на едно пълно трептене на лампата, но след известно време, когато обхватът на трептенията забележимо намаля, той с изненада забеляза, че броят на ударите на пулса остава същият. От това следва изохронизъм, т.е. независимост на периода на трептене на махалото от амплитудата!

Освен това той забелязва, че всички лампи с еднаква дължина на окачването, но дори с различни маси, трептят с еднаква честота, т.е. периодът на техните трептения зависи само от дължината на окачването и не зависи от масата и формата на лампата. Така физиците имаха устройство, което улесняваше измерването на времето (преди това те използваха пясъчен или воден часовник, всички имаха различни, което не позволяваше сравняване на резултатите от различни наблюдения).

Тъй като Галилей е назначен за професор по математика в Пиза, той, според легендата, може да провежда експерименти върху известната наклонена кула. Тук той забелязва, че, да кажем, тухла и сноп от едни и същи тухли падат едновременно. Заключение: скоростта на падане не зависи - или почти не зависи - от масата, известна разлика възниква от съпротивлението на въздуха, но това се разбра по-късно. (Най-вероятно това е само легенда: за Галилео е било по-лесно да изучава законите на падането, като пуска топки с различни маси върху наклонена равнина - процесът се простира във времето и съпротивлението на въздуха намалява. Хвърлянето на тухли от кула може да бъде само необходимо като зрелищна демонстрация, която беше обичана в предтелевизионните времена. ) Въз основа на своите експерименти Галилео успя да дефинира концепцията за ускорение, която остава непроменена и до днес. Но тези експерименти доведоха до факта, че той, като противник на Аристотел, беше изгонен от Пиза, но въпреки това ги продължи на друго място: кулата вече не беше необходима за изследване, достатъчна беше наклонена равнина. Между другото, времето на движение на топката по цялата равнина, по нейната половина и т.н. той също измерва с обема на водата, изливаща се от тесен процеп в съда. Галилей, разбира се, не спира дотук: трябва да се изследва движението на тяло, хвърлено хоризонтално. Тук той успява да обобщи наблюденията на Тарталия, да изведе правило за добавяне на скорости и да покаже, че траекторията на такова тяло е полупарабола.

От експериментите на Галилей е интересно да се опише още един, в който за първи път от почти две хиляди години е тествана и доказана теорията за плуване на телата на Архимед (съмнението в нея е породено от факта, че ледени късове плуват по повърхността на водата и по това време, следвайки Аристотел, се приема, че всяко вещество трябва да бъде уплътнено по време на втвърдяване). Опитът беше следният: восъчна топка, както можете лесно да проверите, потъва в чиста вода, но като добавите сол към водата, можете да накарате топката да изплува, а като добавите вода, можете да я накарате да потъне отново. По този начин се показва, че условията за плаващи (твърди) тела се определят от съотношението на техните плътности към плътността на течността.

Малко по-рано и очевидно по същото време няколко оптици (на гръцки "opticos" - визуален) започнаха да изграждат телескопи с две лещи, които се използваха главно като играчки: хората се изкачиха на камбанарията и разгледаха околностите (мнозина бяха възмутени от фактът, че е възможно да се гледа в прозорците на други хора), правителствата се опитаха да класифицират тези устройства, за да ги използват за военни цели. Галилей беше първият, който се сети да гледа небето през такава тръба и откритията заваляха лавинообразно: планини на Луната, спътници на Юпитер и по-късно пръстените на Сатурн, така че астрономията беше радикално трансформирана. Според някои доклади той също се е опитал да построи първия микроскоп, ще говорим за другите му изобретения по-долу. Галилей трябваше, разбира се, да създаде свои собствени инструменти.

Невъзможно е да се опишат или дори да се изброят всички постижения на Галилей във физиката и астрономията. Но основното е друго: очевидно е, че частиците прах падат по-бавно от камък и Галилей показва, че човек не може да се доверява сляпо на очевидни доказателства. Именно в този принцип, в това, че именно Галилей пръв показа и докаже необходимостта от експериментална проверка на всички конструкции във физиката и в същото време тяхното подробно математическо описание, е неговата непреходна заслуга, и следователно именно той може да се счита за основател на съвременната експериментална наука.

През 1633 г. Галилей, както знаете, е осъден от църквата и обявен за „затворник на Светата инквизиция“ заради твърдението, че хелиоцентричният модел на Коперник не противоречи на Светото писание (имайте предвид, че преди Галилей всички научни писания са написани на латински, който не беше лесно достъпен, и той премина на италиански). Едва 350 години по-късно, през 1984 г., Ватикана, по инициатива на папа Йоан Павел II, преразглежда „случая” на Галилей и признава, че този модел „не противоречи” на Библията и ученият е „реабилитиран”!

Сега трябва да преминем към най-, може би, великия учен от онази епоха - Йоханес Кеплер (1571 - 1630). За да се разбере ролята му в развитието на науката, е необходимо да се припомни тогавашното общоприето мнение, че природата и всичко, което се случва в нея, отразяват божествената воля и следователно въпросът за причините за явлението е просто неуместен и недостоен на истински вярващ. Кеплер беше първият, който зададе такъв въпрос за движението на планетите и той трябваше да търси начин, по който да отговори: да търси връзка в пътя на религиозните символи или да намери някакъв нов начин. (В първото издание на книгата си "Тайните на Вселената" той пише за душите на планетите и Слънцето, във второто издание заменя думата "душа" с думата "сила".)

Кеплер беше помощник (всъщност наследник) на забележителния астроном-наблюдател Тихо Брахе, извършил най-точните измервания на положението на Слънцето и планетите (напомняме, че все още нямаше телескопи). По-специално Брахе точно определя дните на равноденствието, зимното и лятното слънцестоене. Тези резултати, заедно със своите, Кеплер успя да обмисли и обработи. Както знаете, на 21 март и 21 септември продължителността на деня и нощта е напълно равна - това са дните на пролетното и есенното равноденствие, те сякаш разделят годината на две части. Но ако преброите броя на дните от 21 септември до 21 март и след това обратното, се оказва, че тези интервали не са равни: 181 дни минават от есенното равноденствие до пролетното равноденствие и 184 дни от есента до пролетта, три още дни!

Почти всеки има календари в ръцете си и всеки може да направи тези изчисления и да помисли върху тях. Но беше нужен гениалността на Йоханес Кеплер, за да обърне сериозно внимание на такава дреболия и да направи от нея едно много далечно заключение, сега наречено Първият закон на Кеплер: всички планети се въртят около Слънцето по елипси, в един от фокусите на които е слънцето. И Кеплер се основаваше на това. Ако планетите се въртят, както Птолемей и Коперник вярват в кръгове, тогава те ще преминат всяка половина от кръга за едно и също време. Но тъй като, както виждаме, това не е така, това означава, че те не се движат по кръгове, а по някои траектории, близки до тях. Най-близката гладка крива до кръг е елипса, която също е добре проучена.

„Следите на геометрията са отпечатани в света, сякаш геометрията е прототипът на света“, каза самият Кеплер. Но това все още е само хипотеза, необходими са най-трудните, особено за онова време, дългосрочни наблюдения, неговите собствени и тези на покойния Тихо Брахе (едва към края на работата Кеплер изобретява слаб телескоп!) и изчисления - на хартия, в колона! А сега точно за тези три дни - това вече е следствие от втория закон на Кеплер, според който близо до Слънцето, в перихелия, планетите се движат по-бързо, отколкото в далечния край на елипсата, в афелия. Кеплер е брилянтен учен: той разбира, че всяка теория трябва да бъде тествана върху различни обекти. Ето защо, още със своя примитивен телескоп, той предприема невероятни по сложност и точност измервания на траекториите на спътниците на Юпитер, наскоро открити от Галилей, и доказва, че техните движения се подчиняват на същите закони като движенията на планетите - теорията на Кеплер може да бъде считан за проверен! (Фактът, че неговият съвременник Галилей не се съгласи с него и продължи да смята орбитите на планетите за кръгови!)

И което е най-важното в работата на Кеплер: той беше първият, който се опита да намери универсални закони, основани на земната физика, но и управляващи небесните тела - преди него изобщо не е имало идея за единството на връзките (все още няма сили, концепциите за които Нютон въвежда ) в природата: беше прието, че едни закони действат на Земята и съвсем други - на небето. Много показателно е, че книгата на Кеплер "Нова астрономия" има подзаглавие "Нова физика" - така се утвърждава тяхното единство.

Невъзможно е да не кажа няколко думи за Кеплер като човек. Майка му, абсолютно неграмотна жена, е обвинена в магьосничество и изправена на съд от инквизицията, което почти сигурно означава изгаряне на клада. Все още никому неизвестният Кеплер пеша, през половин Германия, стига до мястото на съда и – за времето си звучи като чудо – със своята страстна и логична реч постига оправданието на майка си.

Оценявайки заслугите на Кеплер, А. Айнщайн пише: „Колко дълбока беше вярата му в такава закономерност, ако, работейки сам, поддържан и неразбран от никого, в продължение на много десетилетия той черпеше сила от нея за трудно и старателно емпирично изследване на движението на планетите и математическите закони на това движение!“

Свойствата на магнита да привлича железни предмети са били известни в древна Гърция, китайците може да са използвали някакъв вид компас. Но първите сериозни изследвания са извършени само от Уилям Гилбърт (1544-1603), лайфлекарят на кралица Елизабет I: изненадващо, той е първият, който се опита - както би трябвало да направи всяко любознателно момче - да счупи магнита, видя го на парчета и вижте какво ще излезе от това: оказа се, че всяка част също е магнит.

Тогава Хилберт измисли най-важния инструмент на физиката: той се досети да окачи на конец намагнетизирана игла и с нейна помощ доказа, че всеки магнит има два и само два полюса. (По-нататък ще споменем неговия сънародник П. А. М. Дирак, който още през 20 век изрази съмнение относно това твърдение.) В този случай еднаквите полюси се отблъскват, а противоположните се привличат. Силата на привличане, както установи Gklbert, се увеличава, ако арматурата е прикрепена към магнит - чистото желязо, което не се магнетизира, не може да стане постоянен магнит, но придобива такива свойства само в магнитно поле.

След като направи желязна топка и я магнетизира, Гклберт показа с помощта на игли, че тази топка има същите свойства като Земята и затова нарече Земята голям магнит. (По-рано се предполагаше, че магнитната стрелка на компаса се привлича към някаква точка в небето.) Освен магнетизма, Гилбърт изучава и електрически явления. Тук още от времето на Талес от Милет (640-550 г. пр. н. е.) се знае само, че кехлибарът, носен върху вълна, привлича леки малки тела (сламки, парчета хартия). Гилбърт започна да се опитва да наелектризира други вещества чрез триене и показа, че много повече от тях имат същите свойства и след като изобрети първия електроскоп, той започна количествено да сравнява свойствата на тези тела, скоростта на намаляване на степента на наелектризиране в зависимост от осветеността, влажността и т.н. За всички тези свойства той предложи името "електричество" от гръцката дума "електрон" - кехлибар. Имайте предвид, че през следващите сто години нищо ново не е добавено към неговите резултати и изобретения, наистина брилянтни в своята простота.

Аристотел, както си спомняме, въвежда принципа „природата се страхува от празнотата“ и с помощта на този страх от празнотата (horror vacui) обяснява продължаването на движението на телата при липса на сили. Галилей се опитал да измери силата на същия този страх: той напълнил стъклена тръба, затворена от единия край с вода, затворил я с подвижно бутало и я преобърнал, след което завързал тежести към буталото, за да измери при какво натоварване има празно пространство ще се появи на върха на водния стълб, т.е. силата на страха от празнотата ще бъде преодоляна. (Сега, разбира се, разбираме, че кохезионната сила на водния стълб е измерена по този начин.)

Проблемът ескалира, когато градинарите на херцога на Медичи дойдоха при стария и почти сляп Галилей: изкопаха дълбок кладенец с дълбочина 12 метра и по някаква причина нито една помпа не издигна вода оттам на повърхността. За да разбере проблема, Галилей попита новопоявилия се ученик Торичели (1608-1647). Дългите разисквания не доведоха до нищо, докато Торичели не осъзна, че вместо 12-метров воден стълб трябва да се опита да направи експерименти с живак, който е 13,6 пъти по-тежък и следователно е необходима колона по-малка от метър височина (можем да приемем че в този момент е имало метод на моделиране!).

В първия експеримент, по поръчка на Торичели, извършен през 1643 г. от Винченцо Вивиани (1622-1703), живакът се излива в стъклена тръба с дължина около 1 метър, затворена в единия край. Вивиани покри свободния отвор с пръст, обърна тръбата с главата надолу и я спусна вертикално в съда с живак. Живакът започна да се излива и спря на височина от около 76 см, тогава Торичели беше поразен от втора идея: над живака има празнина (сега се нарича празнина на Торичели), а височината на живачната колона съответства на на налягането на атмосферата - прословутия „страх от празнотата“ няма нищо общо с това!

Всъщност Торичели използва закона за свързващите се съдове по съвсем нов начин: отдавна е известно, че ако два вертикални съда с вода са свързани отдолу с тръба, тогава водата ще прелива между тях, докато не се установи на едно и също ниво в двете колена. Ако обаче в тези колена има различни течности, например вода и алкохол, тогава височината на колоната на по-леката от тях се оказва по-висока: може да се мисли, че по този начин се компенсира нейната лекота.

Е, ако едно от коленете не е течност, а въздух? Нека сравним височините на колоните вода и живак: според наблюденията на градинарите водата се издига само до ниво от около 10 метра, според измерванията на Вивиани живакът се издига до ниво 76 см. По този начин съотношението на височините е някъде около 13-15, което е близо до съотношението на специфичното тегло на живака и водата. Следователно можем да заключим, че в този експеримент единият крак е тръба с живак, а вторият - цялата атмосфера. Но тази идея, идеята за атмосферното налягане, беше толкова нова и изглеждаше толкова парадоксална, че беше необходима изобретателността на много учени, за да я направят естествена и сякаш приета за даденост.

Ото фон Герике (1602-1686), дипломат и дългогодишен (32 години!) кмет на славния търговски град Магдебург, Ото фон Герике (1602-1686) успява ясно да докаже на целия свят съществуването на празнотата и ролята на атмосферното налягане след изобретяването на въздушната помпа.

„Изобретих и създадох редица инструменти и устройства, за да докажа съществуването на досега неразпознатата празнота“, пише Герике. И опитът, който той показа на членовете на германския Райхстаг на 8 май 1654 г., в наше време би бил първият ред на всички световни телевизионни канали. Този експеримент, най-често описван в историческите книги, беше проведен по следния начин. От голяма медна топка, лесно разделена на две полусфери (когато се приложиха една към друга, връзката беше запечатана с кожено уплътнение), се изпомпваше въздух. След това осем тежки коня бяха впрегнати в халките на полусферите от двете страни, но както и да бяха карани, те не можаха да разкъсат полусферите една от друга. След това всеки, който искаше да отвори крана, въздухът нахлу в топката със страшен рев и тя лесно се отделяше с ръце. (Сега ни е ясно, че не е необходимо да се връзват осем коня от всяка страна: едната страна може да бъде завързана за стената, но, първо, ефектът ще бъде по-малък, и, второ, третият закон на Нютон все още не е бил изпълнен открит.)

В допълнение към първата въздушна помпа и акустични експерименти, Герике става известен с факта, че изобретява електростатична машина, хигрометър, открива явленията на електростатична индукция, светене по време на изтичане на зарядите и т.н. Но сега се интересуваме от нещо иначе: когато един ден, през 1660 г., показанията на изобретения воден барометър започнаха да падат рязко, Герике разбра, че ако налягането на въздуха тук намалее значително, тогава скоро въздушни течения ще се втурнат към това място от всички страни и ще започне буря , за което предупреди всички жители. Това е началото на научното прогнозиране на времето.

Научните истини обаче не се възприемат толкова лесно. Отне почти два века и катастрофа с много жертви, за да стане методът на Герике общоприет: на 2 август 1837 г. началникът на пристанището на Пуерто Рико предупреди моряците за невероятно рязък спад в показанията на барометъра и предстояща буря. Те не го послушаха и всичките 33 кораба, които бяха в пристанището, потънаха!

Блез Паскал (1623-1662) е най-забележителното дете чудо и един от най-разнообразните хора в историята. Той направи първите си открития на възраст от ... 5 години: баща му влезе в детската стая с гостите и видя, че момчето строи триъгълници от пръчки на пода - оказа се, че независимо преоткрива редица първоначални теореми на геометрията. Помагайки на баща си, данъчен инспектор, в дълги изчисления, той изобретява и построява, очевидно на 14-годишна възраст, първата механична сумираща машина, на 16-годишна възраст написва книга по математика, където очертава редица нови резултати , а по-късно полага основите на теорията на вероятностите. Само три години, от 1647 до 1650 г., Паскал се занимава интензивно с физика, където прави много открития, а от 1653 г. почти напълно се потапя в религията, като написва две книги, с които според мнозина започва съвременната френска литература.

Научавайки за опита на Торичели, Паскал решава, че въздухът под въздействието на теглото си трябва да се сгъсти надолу, тоест атмосферното налягане трябва да пада с височината. Затова той, много болен и физически слаб човек, моли своя зет Ф. Перие да построи два барометъра според описанията на Торичели и да изкачи планината с един от тях (вторият, за сравнение, остава в подножието) . На 19 септември 1648 г. Перие провежда този експеримент (и по този начин влиза в историята): изкачвайки се на планина, той наистина вижда непрекъснато намаляване на живачен стълб - хипотезата е доказана, налягането наистина зависи от теглото на въздушния стълб . Паскал публикува брошура, описваща експерименти: страхът от празнотата, прословутият horror vacui, вече не съществува!

Е, зависимостта на налягането от височината на водния стълб, формулата, за която Паскал изведе, той демонстрира с голямо сливане на благородниците, водени от краля в град Клермон-Феран. В здрава дъбова бъчва, напълнена до вместимост с вода, беше поставена тънка, висока до третия етаж стъклена тръба; когато само една чаша вода беше излята в тази тръба от подходяща височина, варелът с четиридесет кофи не издържа на натиска и се спука - публиката видя със собствените си очи, че налягането не зависи от масата на водата, а само на височината на колоната му.

Робърт Бойл (1627-1691), 14-ият син на граф Корк, беше не само изключителен химик, физик и философ, но и светска личност, той беше приятел с крал Чарлз II, който самият се интересуваше от наука и експерименти . Поради това Бойл успя да наеме асистенти и лаборанти, за да извършват груба работа в многобройни експерименти. (Бойл, религиозен човек, каза, че се страхува да умре само защото „в следващия свят“ всичко вече е предопределено и не можете да експериментирате!)

Особено много измервания от същия тип бяха необходими, когато Бойл се зае с изследването на налягането в газовете, което не беше изследвано от никого преди. И така, един ден, казват те, той, отивайки на бала, инструктира своя лаборант да продължи да измерва промените в обема на газа в затворен съд с промяна в налягането. Бойл се върна неочаквано рано от бала и възмутено установи, че асистентът спи в ъгъла, а до него лежи лист хартия със спретнато изписани дълги колони с привидно измерени цифри за налягания и обеми. Събуден от ритници, лаборантът измърмори, че няма нужда от измерване, че произведението на обема и налягането е постоянно, но, разбира се, беше изгонен позорно.

И тогава Бойл някак си помисли: ами ако? Започна упорита и дълга работа, но идеята, случайно изразена от неграмотен помощник, се оказа правилна при всички проверки. Така възниква законът на Бойл-Мариот. (Вторият автор го преоткрива малко по-късно, но английските книги все още имат закона на Бойл, а френските книги имат закона на Едме Мариот (1620-1684), физиката и ботаниката.) Бойл също разреши старата загадка за това кое е по-леко - водата или лед: той напълни здрава цев на пистолет с вода, изложи я на скреж и два часа по-късно цевта се спука. На всички стана ясно, че ледът се разширява при замръзване.

Робърт Хук (1635-1703) започва научната си кариера като асистент на Бойл. Тогава той става "куратор на експериментите" на новосформираното Кралско общество на сега съществуващата Академия на науките на Великобритания. Задължението на Хук беше да повтаря и проверява получените от обществото доклади за нови открития, както и да подготвя и демонстрира на членовете на обществото (на всяко събрание!) нови експерименти. От една страна, това спомогна за неговата невероятна гъвкавост като учен, но от друга страна, доведе до бързане, до превключване от едно започнато изследване към друго и затова той често изразяваше идеи, преди да има време да ги обмисли и изследва, и след това води безкрайни дебати за приоритета (по-специално с Нютон относно закона за всемирното привличане).

Хук пръв се досеща, че за по-добро изследване на веществата и предметите под микроскоп те трябва да се нарязват на тънки слоеве и да се гледат през светлината. И така, поставяйки всичко възможно под микроскопа, той откри, че всички растения имат клетъчна структура и измисли самата дума „клетка“. Освен това той доказва микроскопски, че снежинките имат кристална структура и т.н. проверка, че твърдите вещества, за разлика от газовете и течностите, винаги имат постоянна форма; припомнете си, че каучукът е изобретен много по-късно). За да тества тази позиция, Хук изследва възможността за разтягане на твърди тела под действието на товар - той просто окачи тесни ленти от различни метали, прикрепи чаша към дъното на лентите, в която бяха поставени тежести, и измери (понякога с помощта на микроскоп) количеството на удължението.

Така той откри, че удължението винаги е право пропорционално на големината на приложената сила - това е известният закон на Хук. (По онова време Хук не можеше да приложи такова натоварване, при което този закон започва да се нарушава, следователно сега диаграмата на удължението на телата под натоварване е разделена на части на Хук и части, които не са на Хук.) Сънародникът на Хук Томас Юнг изясни тези изследвания едва в 1807 (повече за него - по-долу): той открива как коефициентът на Хук зависи от дължината и напречното сечение на разтегнатото тяло. Освен това Хук доказва чрез подобни експерименти, че всички вещества се разширяват при нагряване. (По-късно се установи, че това твърдение не е съвсем вярно: при нагряване от нула до 4 ° C водата се свива, поведението на полуметала бисмут и някои други се отклонява от този закон, но такива изключения са много редки и обяснения за те са открити едва през 20 век. ) Така Хук всъщност е основател на физиката на твърдото тяло.

Нека се върнем малко назад във времето и да разгледаме един забележителен оптичен експеримент, извършен от Франческо Мария Грималди (1618-1663), йезуитски монах и физик. Експериментът беше много прост и беше правен много пъти преди: лъч светлина се пропускаше в тъмна стая през малък отвор, който се превръщаше в конус в стаята, така че на екрана се получаваше светъл кръг или елипса. Всичко това беше добре известно. Но тогава Грималди въведе в този конус, на доста голямо разстояние от дупката, пръчка, чиято сянка трябваше да пресече ярък кръг на екрана. И изведнъж се оказа, че, първо, сянката е по-широка, отколкото трябва да бъде, въз основа на идеята за праволинейно разпространение на светлината, и второ, от двете страни на централната сянка може да има една, две или три тъмни ивици се вижда, в зависимост от яркостта на слънчевата светлина., и трето, краищата на тези ленти са синкави от центъра и червеникави от противоположния край.

Когато Грималди направи две близки дупки в капаците, той успя да забележи много нови характеристики, когато светлите кръгове се припокриха на екрана: около всеки от тях се появиха тъмни пръстени, пресечните точки на които бяха по-светли от двата пръстена. В по-нататъшни експерименти той променя формите и размерите на дупките, техните комбинации. Така Грималди открива, че освен отражение (отражение) и пречупване (пречупване), има и явление, което той нарича дифракция и което се състои в частично закръгляване на препятствията от светлината.

Кристиан Хюйгенс (1629-1685), брилянтен физик и математик, останал в историята преди всичко като най-великият часовникар на всички времена, който изобретил часовника с махало, а след това изобретил часовника с пружинен баланс. Водните и пясъчните часовници съществуват от две хилядолетия, но всеки от техните екземпляри се отличава със свои собствени характеристики, своята „скорост“. Слънчев часовник, т.е. вертикална колона, чиято сянка се движи с движението на слънцето и показва времето върху начертан циферблат, трябва да има много скали, поне за всеки месец от годината, и такива часовници, разбира се, не работят при лошо време и през нощта.

Още през XIII-XIV век. започнали да строят часовници с колела или механични часовници, предимно кули. Те се задвижваха от тежки тежести, а след това тежестите, спускащи се надолу, завъртяха колесните системи и стрелите. Но тежестите постепенно се ускориха по време на спускането и времето „започна да тече по-бързо“.

Когато Галилей открива изохронизма на махалото, му става ясно, че махалото може да се използва за измерване на времеви интервали. Възможно е например да се напише, че по време на спускане на товар от такава и такава наклонена равнина махало с дължина 1,5 м прави пет трептения и след това всеки друг може да повтори този експеримент и да провери количествената коректност на резултата . Но не можете да седите и да броите броя на трептенията през цялото време: стана ясно, че трябва да измислите и по някакъв начин да прикрепите брояч на тези трептения към махалото.

Изобретателите се борят с този проблем около седемдесет години - и без резултат. И Хюйгенс решава проблема по брилянтно прост начин (един от признаците на брилянтно откритие, изобретение е, че когато е направено, на всеки изглежда, че всеки би могъл да се сети за него преди него). Защо, реши той, да измисли някакъв брояч, вече има механични часовници, те също са брояч: просто трябва да прикрепите такава тресчотка, „куче“, така че при всяко трептене на махалото да се поставя тежест върху дълъг прът, това куче позволява задвижващото колело да се върти за един зъб. (И сега има най-непретенциозните часовници с тегло, по-често вече в комплекти от детски дизайнери, които точно повтарят часовниците на Хюйгенс.)

Така беше решен най-трудният проблем на измервателната техника по това време. Тогава Хюйгенс изобретява часовник с пружинен балансьор, джобен или ръчен (тук Хук се опитва да оспори неговия приоритет, и то не само той). Този часовник успя да реши най-важния проблем за определяне на позицията на кораб в морето: Британското адмиралтейство обяви открит конкурс за намиране на най-добрия начин за определяне на дължината на кораб с огромна премия за това време. (Географската ширина може да се определи от ъгъла спрямо слънцето по обяд с предварително изчислени таблици.)

Изобретяването на пролетните часовници напълно реши този проблем. Ако корабът има точен часовник, хронометър, показващ времето по Гринуичкия меридиан, тогава като определите показанията им по обяд на дадено място, тоест в момента, когато сенките са най-къси, можете да определите вашата географска дължина: разлика от един час означава разлика от Гринуичкия меридиан с 15° и т.н. (Слънцето прави пълен кръг от 360° за 24 часа, оттук и тази цифра.) Имайте предвид, че по-рано едни и същи острови са били преоткривани много пъти и техните позиции на картите се различават с хиляди мили.

Не си мислете само, че заслугите на Хюйгенс са ограничени до часовниците, въпреки че това би било достатъчно за безсмъртие в историята: той развива вълновата теория на светлината и предлага принцип, който е кръстен на него и все още е в основата на всички вълнови теории, в т.ч. оптика и акустика. И ето една любопитна и поучителна история, описана от него в едно писмо през 1693 г. В замъка Шантили край Париж Хюйгенс забелязал, че ако застанете между стълбите и работещия фонтан, чувате звук, наподобяващ музикален тон: той предположи, че това се дължи на отражения от еднакво раздалечени стъпки. След като измерва ширината на стъпалата, Хюйгенс прави хартиена тръба със същата дължина и открива, че излъчва същия тон - всъщност стълбището извлича една резонансна честота от шума на фонтана, а Хюйгенс намира пример за разлагане на шума в акустичен спектър.