Biografi

Christian Huygens er en nederlandsk mekaniker, fysiker, matematiker, astronom og oppfinner.

En av grunnleggerne av teoretisk mekanikk og sannsynlighetsteori. Han ga et betydelig bidrag til optikk, molekylær fysikk, astronomi, geometri, urmakeri. Oppdaget ringene til Saturn og Titan (en Saturns måne). Første utenlandske medlem av Royal Society of London (1663), medlem av det franske vitenskapsakademiet siden det ble grunnlagt (1666) og dets første president (1666-1681).

Huygens ble født i Haag i 1629. Hans far Konstantin Huygens (Huygens), hemmelig rådgiver for prinsene av Orange, var en bemerkelsesverdig forfatter som også fikk en god vitenskapelig utdannelse. Konstantin var en venn av Descartes, og den kartesiske filosofien (kartesianismen) hadde stor innflytelse ikke bare på hans far, men også på Christian Huygens selv.

Den unge Huygens studerte jus og matematikk ved Universitetet i Leiden, og bestemte seg deretter for å vie seg til vitenskap. I 1651 publiserte han Discourses on the Squaring of the Hyperbola, Ellipse, and Circle. Sammen med broren forbedret han teleskopet, brakte det til 92x forstørrelse og begynte å studere himmelen. Den første berømmelsen kom til Huygens da han oppdaget ringene til Saturn (Galileo så dem også, men kunne ikke forstå hva de var) og satellitten til denne planeten, Titan.

I 1657 Huygens mottatt et nederlandsk patent på design av en pendelklokke. I de siste årene av sitt liv prøvde Galileo å skape denne mekanismen, men progressiv blindhet hindret ham. Huygens klokke fungerte virkelig og ga utmerket nøyaktighet for den tiden. Det sentrale elementet i designet var ankeret oppfunnet av Huygens, som med jevne mellomrom presset pendelen og opprettholdt udempede svingninger. Designet av Huygens, en nøyaktig og rimelig pendelklokke ble raskt mye brukt over hele verden. I 1673 publiserte Huygens en ekstremt informativ avhandling om kinematikken til akselerert bevegelse under tittelen "Pendelur". Denne boken var en skrivebordsbok for Newton, som fullførte konstruksjonen av grunnlaget for mekanikk startet av Galileo og videreført av Huygens.

I 1661 reiste Huygens til England. I 1665, på invitasjon fra Colbert, bosatte han seg i Paris, hvor Paris Academy of Sciences ble opprettet i 1666. Etter forslag fra samme Colbert ble Huygens dens første president og ledet akademiet i 15 år. I 1681, i forbindelse med den planlagte opphevelsen av Ediktet av Nantes, vendte Huygens, som ikke ønsket å konvertere til katolisismen, tilbake til Holland, hvor han fortsatte sin vitenskapelige forskning. På begynnelsen av 1690-tallet begynte vitenskapsmannens helse å bli dårligere, han døde i 1695. Huygens siste verk var Kosmoteoros, der han argumenterte for muligheten for liv på andre planeter.

Vitenskapelig aktivitet

Lagrange skrev at Huygens "var bestemt til å perfeksjonere og utvikle de viktigste funnene til Galileo."

Matte

Christian Huygens begynte sin vitenskapelige virksomhet i 1651 med et essay om kvadraturen til hyperbelen, ellipsen og sirkelen. I 1654 utviklet han en generell teori om evoluter og evolventer, utforsket cykloiden og kontaktledningen, avanserte teorien om fortsatte fraksjoner.

I 1657 skrev Huygens et vedlegg "On Calculations in Gambling" til sin lærer van Schootens bok "Mathematical Etudes". Dette var den første utstillingen av begynnelsen av den da fremvoksende teorien om sannsynlighet. Huygens, sammen med Fermat og Pascal, la grunnlaget, introduserte det grunnleggende konseptet matematisk forventning. Fra denne boken ble Jacob Bernoulli kjent med sannsynlighetsteorien, som fullførte etableringen av grunnlaget for teorien.

Mekanikk

I 1657 publiserte Huygens en beskrivelse av utformingen av klokken han oppfant med en pendel. Samtidig som forskere hadde ikke en slik enhet nødvendig for eksperimenter som en nøyaktig klokke. Galileo, for eksempel, når han studerte lovene om å falle, telte slagene til sin egen puls. Klokker med hjul drevet av vekter har vært i bruk lenge, men nøyaktigheten var utilfredsstillende. Siden Galileos tid har pendelen blitt brukt separat for nøyaktig måling av små tidsperioder, og det var nødvendig å telle antall svingninger. Huygens 'klokke hadde god nøyaktighet, og forskeren vendte seg deretter gjentatte ganger, i nesten 40 år, til oppfinnelsen sin, forbedret den og studerte pendelens egenskaper. Huygens hadde til hensikt å bruke en pendelklokke for å løse problemet med å bestemme lengdegrad til sjøs, men oppnådde ikke betydelig fremgang. Et pålitelig og nøyaktig marin kronometer dukket opp først i 1735 (i Storbritannia).

I 1673 publiserte Huygens det klassiske mekaniske verket Pendelklokken (Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica). Det beskjedne navnet bør ikke være misvisende. I tillegg til teorien om klokker, inneholdt verket mange førsteklasses oppdagelser innen analyse og teoretisk mekanikk. Huygens kvadraturerer også en rekke revolusjonsflater der. Dette og hans andre forfatterskap hadde en dyp effekt på den unge Newton.

I den første delen av verket beskriver Huygens en forbedret, cykloidal pendel som har konstant svingtid uavhengig av amplitude. For å forklare denne egenskapen, vier forfatteren den andre delen av boken til utledningen av de generelle bevegelseslovene til kropper i et gravitasjonsfelt - fri, beveger seg langs et skråplan, ruller nedover en cykloid. Det må sies at denne forbedringen ikke har funnet praktisk anvendelse, siden med små svingninger er økningen i nøyaktighet fra den cykloidale vektøkningen ubetydelig. Selve forskningsmetodikken gikk imidlertid inn i vitenskapens gullfond.

Huygens utleder lovene for jevnt akselerert bevegelse av fritt fallende kropper, basert på antakelsen om at handlingen som tilføres kroppen av en konstant kraft, ikke avhenger av størrelsen og retningen til den opprinnelige hastigheten. Ved å utlede forholdet mellom fallets høyde og tidens kvadrat, gjør Huygens bemerkningen at fallets høyder er relatert til kvadratene til de ervervede hastighetene. Videre, med tanke på den frie bevegelsen til en kropp som kastes oppover, finner han at kroppen stiger til den største høyden, etter å ha mistet all hastigheten som ble kommunisert til den, og får den igjen når han går tilbake.

Galileo tillot uten bevis at når kroppen faller langs forskjellig skrå rette linjer fra samme høyde, får kroppen like hastigheter. Huygens beviser dette på følgende måte. To rette linjer med forskjellig helning og lik høyde er festet med deres nedre ender til hverandre. Hvis en kropp senket fra den øvre enden av en av dem oppnår en større hastighet enn den som lanseres fra den øvre enden av den andre, kan den skytes ut langs det første av et slikt punkt under den øvre enden slik at hastigheten som oppnås under er tilstrekkelig til å løfte kroppen til den øvre enden av den andre rette linjen; men så skulle det vise seg at kroppen steg til en høyde større enn den den falt fra, og dette kan ikke være det. Fra bevegelsen til et legeme langs en skrånende rett linje, fortsetter Huygens til bevegelse langs en brutt linje og deretter til bevegelse langs en eller annen kurve, og han beviser at hastigheten som oppnås når du faller fra en hvilken som helst høyde langs kurven er lik hastigheten oppnådd under fritt fall fra samme høyde langs en vertikal linje, og at det kreves samme hastighet for å løfte samme kropp til samme høyde i både en vertikal rett linje og en kurve. Så, ved å gå over til cykloiden og vurdere noen av dens geometriske egenskaper, beviser forfatteren tautokronismen til bevegelsene til det tunge punktet langs cycloiden.

I den tredje delen av verket presenteres teorien om evoluter og evolventer, oppdaget av forfatteren tilbake i 1654; her finner han formen og posisjonen til cykloidens evolusjon. Den fjerde delen presenterer teorien om den fysiske pendelen; her løser Huygens problemet som ikke ble gitt til så mange moderne geometre - problemet med å bestemme sentrum for svingninger. Den er basert på følgende forslag:

Hvis en kompleks pendel, etter å ha latt hvile, har fullført en viss del av svingen, mer enn en halv svingning, og hvis forbindelsen mellom alle partiklene blir ødelagt, vil hver av disse partiklene stige til en slik høyde at deres felles Tyngdepunktet vil være i den høyden, hvor han var ved utgangen av pendelen fra hvile. Denne påstanden, som ikke er bevist av Huygens, fremstår for ham som et grunnleggende prinsipp, mens det nå er en enkel konsekvens av loven om bevaring av energi.

Teorien om den fysiske pendelen ble gitt av Huygens i en ganske generell form og anvendt på kropper av forskjellige slag. Huygens korrigerte Galileos feil og viste at isokronismen til pendelsvingningene forkynt av sistnevnte bare finner sted omtrent. Han bemerket også to feil til Galileo i kinematikk: jevn bevegelse i en sirkel er assosiert med akselerasjon (Galileo benektet dette), og sentrifugalkraften er proporsjonal ikke med hastighet, men med kvadratet av hastighet.

I den siste, femte delen av sitt arbeid, gir Huygens tretten teoremer om sentrifugalkraft. Dette kapittelet gir for første gang et eksakt kvantitativt uttrykk for sentrifugalkraften, som senere spilte en viktig rolle i studiet av planetenes bevegelse og oppdagelsen av loven om universell gravitasjon. Huygens gir i den (verbalt) flere grunnleggende formler:

Astronomi

Huygens forbedret teleskopet på egen hånd; i 1655 oppdaget han Saturns måne Titan og beskrev Saturns ringer. I 1659 beskrev han hele systemet til Saturn i et verk han publiserte.

I 1672 oppdaget han en iskappe på Mars sørpol. Han oppdaget også Oriontåken og andre tåker, observerte binære stjerner, estimerte (ganske nøyaktig) rotasjonsperioden til Mars rundt sin akse.

Den siste boken "ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae" (på latin; utgitt posthumt i Haag i 1698) er en filosofisk og astronomisk refleksjon over universet. Han mente at andre planeter også er bebodd av mennesker. Huygens bok ble bredt distribuert i Europa, hvor den ble oversatt til engelsk (1698), nederlandsk (1699), fransk (1702), tysk (1703), russisk (1717) og svensk (1774). Etter dekret fra Peter I ble den oversatt til russisk av Yakov Bruce under tittelen "The Book of World View". Det regnes som den første boken i Russland som beskriver det heliosentriske systemet til Copernicus.

I dette arbeidet gjorde Huygens det første (sammen med James Gregory) forsøket på å bestemme avstanden til stjernene. Hvis vi antar at alle stjerner, inkludert solen, har lignende lysstyrker, kan vi ved å sammenligne deres tilsynelatende lysstyrke grovt anslå forholdet mellom avstandene deres (avstanden til solen var da allerede kjent med tilstrekkelig nøyaktighet). For Sirius oppnådde Huygens en avstand på 28 000 astronomiske enheter, som er omtrent 20 ganger mindre enn den sanne (publisert posthumt, i 1698).

Optikk og bølgeteori

Huygens deltok i samtidige tvister om lysets natur. I 1678 publiserte han A Treatise on Light, en oversikt over bølgeteorien om lys. Et annet bemerkelsesverdig verk ga han ut i 1690; der presenterte han den kvalitative teorien om refleksjon, refraksjon og dobbel refraksjon i islandsk spar i samme form som den nå presenteres i fysikklærebøker. Han formulerte "Huygens-prinsippet", som gjør det mulig å studere bevegelsen til bølgefronten, som senere ble utviklet av Fresnel og spilte en viktig rolle i bølgeteorien om lys. Han oppdaget lysets polarisering (1678).

Han eier den opprinnelige forbedringen av teleskopet som ble brukt av ham i astronomiske observasjoner og nevnt i avsnittet om astronomi, han oppfant "Huygens okular", bestående av to plankonvekse linser (det brukes fortsatt i dag). Han er også oppfinneren av den diaskopiske projektoren – den såkalte. "tryllelykt"

Andre prestasjoner

Huygens underbygget (teoretisk) jordens oblatitet ved polene, og forklarte også påvirkningen av sentrifugalkraft på tyngdekraftens retning og på lengden av den andre pendelen på forskjellige breddegrader. Han ga en løsning på problemet med kollisjonen av elastiske kropper, samtidig med Wallis og Wren (publisert posthumt) og en av løsningene på problemet med formen til en tung homogen kjede i likevekt (kjedelinje).

Han eier oppfinnelsen av timespiralen, som erstatter pendelen, som er ekstremt viktig for navigering; Den første klokken med spiral ble designet i Paris av urmakeren Thuret i 1674. i 1675 patenterte han et lommeur.

Huygens var den første som etterlyste valg av et universelt naturlig lengdemål, som han foreslo som 1/3 av lengden på pendelen med en svingeperiode på 1 sekund (dette er ca. 8 cm).

Store skrifter

Horologium oscillatorium, 1673 (Pendelur, på latin).
Kosmotheeoros. (engelsk oversettelse av 1698-utgaven) - Huygens' astronomiske funn, hypoteser om andre planeter.
Treatise on Light (Treatise on Light, engelsk oversettelse).

Den nederlandske fysikeren, mekanikeren, matematikeren og astronomen, Christian Huygens, var Galileos umiddelbare etterfølger innen vitenskap. Lagrange sa at Huygens "var bestemt til å forbedre og utvikle de viktigste funnene til Galileo." Huygens kom først i kontakt med Galileos ideer i en alder av 17: han skulle bevise at kropper som kastes horisontalt beveger seg langs en parabel, og fant et slikt bevis i Galileos bok.

Huygens' far kom fra en nederlandsk adelsfamilie og fikk en utmerket utdanning: han kjente språkene og litteraturen til mange folk og epoker, han skrev selv poetiske verk på latin og nederlandsk. Han var også en kjenner av musikk og maleri, en subtil og vittig person. Han var interessert i vitenskapens prestasjoner innen matematikk, mekanikk og optikk. Originaliteten til hans personlighet bekreftes av det faktum at blant vennene hans var det mange kjente mennesker, inkludert den berømte Rene Descartes, en fremragende fransk vitenskapsmann.

Innflytelsen fra Descartes ble sterkt reflektert i dannelsen av verdensbildet til sønnen hans, den fremtidige store vitenskapsmannen.

Barndom og ungdom.

I en alder av åtte år lærte Christian latin, kunne de fire trinnene i aritmetikken, og i en alder av ni ble han kjent med geografi og astronomiens begynnelse, visste hvordan han skulle bestemme tidspunktet for soloppgang og solnedgang i alle årstider. Da Christian var ti år gammel lærte han å komponere vers på latin og spille fiolin, elleve ble han kjent med lutt, og som tolv kjente han logikkens grunnleggende regler.

Etter å ha lært gresk, fransk og italiensk, i tillegg til å ha spilt cembalo, gikk Christian over til mekanikk, noe som fengslet ham fullstendig. Han designer ulike maskiner, for eksempel lager han sin egen dreiebenk. I 1643 sier Christians lærer til sin far: "Christian må kalles et mirakel blant gutter ... Han utvikler sine evner innen mekanikk og konstruksjoner, lager fantastiske maskiner ...".

Videre lærer Christian matematikk, ridning og dans. Et håndskrevet matematisk kurs for Christian, satt sammen av den berømte matematikeren, venn av Descartes, Francis Schouten, er bevart. Kurset tok for seg prinsippene for algebra og geometri, ubestemte ligninger fra Diophantus sin aritmetikk, irrasjonelle tall, utvinning av kvadrat- og terningsrøtter, og teorien om algebraiske ligninger av høyere grader. Omskrevet bok av Descartes "Geometri". Deretter gis anvendelser av algebra til geometri og lokusligninger. Til slutt vurderes kjeglesnitt og det gis problemer for å konstruere tangenter til forskjellige kurver ved metodene til Descartes og Fermat.

I en alder av seksten år gikk Christian sammen med sin bror inn på universitetet i Leiden for å studere juss og studerte samtidig matematikk hos Schouten, som sendte Descartes sitt første matematiske verk til gjennomgang. Descartes berømmer Christians «matematiske påfunn»: «Selv om han ikke helt fikk det han trengte, er dette på ingen måte rart, siden han prøvde å finne ting som ingen andre hadde lykkes med. Han tok opp denne saken på en slik måte at jeg er sikker på at han vil bli en fremragende vitenskapsmann på dette feltet.

På denne tiden studerte Christian Arkimedes, Apollonius' "kjeglesnitt", Vitello og Keplers optikk, Descartes "Dioptri", Ptolemaios og Kopernikus' astronomi og Stevins mekanikk. Ved å bli kjent med sistnevnte beviser Huygens at utsagnet om at likevektsfiguren til en tråd fritt hengt mellom to punkter er en parabel er feil. Foreløpig er det kjent at tråden vil ligge langs den såkalte kontaktledningen.

Christian korresponderte med Marin Mersenne, en fransiskanermunk, utgiver av den franske oversettelsen av Galileos mekanikk og et sammendrag av hans dialoger.... Mersenne var sterkt interessert i sin tids vitenskapelige prestasjoner og i brev rapportert om de siste oppdagelsene og de mest interessante problemene innen matematikk og mekanikk. I de dager erstattet slik korrespondanse de manglende vitenskapelige tidsskriftene.

Mersenne sendte Christian interessante problemer. Fra brevene hans ble han kjent med sykloiden og svingsenteret til den fysiske pendelen. Da han fikk vite om Huygens kritikk av filamentets parabolske form, rapporterte Mersenne at den samme feilen hadde blitt gjort av Galileo selv, og ba om å få tilsendt hele beviset.

Da han avsluttet sin rapport til Mersenne om sitt arbeid, skrev han: «Jeg bestemte meg for å prøve å bevise at tunge kropper kastet opp eller til siden beskriver en parabel, men i mellomtiden kom jeg over Galileos bok om akselerert naturlig eller voldsom bevegelse; da jeg så at han hadde bevist dette og mye mer, ville jeg ikke lenger skrive Iliaden etter Homer.

Huygens og Archimedes.

Etter Leiden går Christian sammen med sin yngre bror Lodevik for å studere ved Orange Collegium. Faren forberedte tilsynelatende Christian for statlig aktivitet, men dette fristet ikke Christian.

I Arkimedes ånd skrev den tjuetre år gamle kristne en bok om teorien om flytende kropper: "Om likevekten til kropper som flyter i en væske." Senere, i 1654, dukket det opp et annet verk i Archimedes ånd, Discoveries on the Size of the Circle, som representerte et fremskritt på Archimedes's Måling av sirkelen. Huygens oppnådde verdien av pi med åtte riktige desimaler. Dette inkluderer også verket "Setninger om kvadraturen til hyperbelen, ellipsen og sirkelen og tyngdepunktet til delene deres."

Skrevet i 1657, er avhandlingen On Calculations in Gambling et av de første kjente verkene om sannsynlighetsteorien.

Huygens og optikk.

Allerede i 1652 ble Huygens interessert i temaet utviklet av Descartes. Det var dioptri - læren om lysets brytning. Han skriver til sin venn: «Jeg har nesten skrevet to bøker om dette emnet, som en tredje er lagt til: den første snakker om brytning i flate og sfæriske overflater ..., den andre handler om en synlig økning eller reduksjon i bildene av gjenstander oppnådd ved brytning. Den tredje boken, som skulle snakke om teleskoper og mikroskoper, ble skrevet litt senere. Huygens jobbet periodevis på dioptrien i omtrent 40 år (fra 1652 til 1692).

Separate kapitler i første del av "Dioptri" er viet lysbrytning i flate og sfæriske overflater; forfatteren gir en eksperimentell bestemmelse av brytningsindeksen til forskjellige gjennomsiktige legemer og vurderer problemene med lysbrytning i prismer og linser. Deretter bestemmer han brennvidden til linsene og undersøker forholdet mellom posisjonen til objektet på linsens optiske akse og posisjonen til bildet, det vil si at han får uttrykket til hovedformelen til linsen. Første del av boken avsluttes med en betraktning av øyets struktur og synsteorien.

I den andre delen av boken snakker Huygens om reversibiliteten til et optisk system.

I den tredje delen av boken legger forfatteren stor vekt på sfærisk aberrasjon (forvrengning) av linser og metoder for å korrigere det. For en rekke spesielle tilfeller finner han formen på brytningsflatene til linser som ikke gir sfærisk aberrasjon. For å redusere aberrasjonene til teleskopet foreslår Christian et "luftteleskop"-design, der linsen og okularet ikke er koblet sammen. Lengden på Huygens sitt "luftteleskop" var 64 m. Ved hjelp av dette teleskopet oppdaget han en satellitt av Saturn, Titan, og observerte også fire satellitter av Jupiter, tidligere oppdaget av Galileo.

Huygens, ved hjelp av sine teleskoper, var også i stand til å forklare det merkelige utseendet til Saturn, som forvirret astronomer, og startet med Galileo - han slo fast at planetens kropp er omgitt av en ring.

I 1662 foreslo Huygens også et nytt optisk system for okularet, som senere ble oppkalt etter ham. Dette okularet besto av to positive linser atskilt av et stort luftgap. Et slikt okular i henhold til Huygens-skjemaet er mye brukt av optikere i dag.

I 1672-1673 ble Huygens kjent med Newtons hypotese om sammensetningen av hvitt lys. Omtrent på samme tid dannet han ideen om en bølgeteori om lys, som kommer til uttrykk i den berømte "Treatise on Light", utgitt i 1690.

Huygens og mekanikk.

Huygens bør plasseres helt i begynnelsen av en lang rekke forskere som deltok i etableringen av den universelle loven om bevaring av energi.

Huygens foreslår en metode for å bestemme hastigheten til kropper etter deres kollisjon. Hovedteksten i hans avhandling «The Theory of the Impact of Solids» ble fullført i 1652, men Huygens karakteristiske kritiske holdning til verkene hans førte til at avhandlingen først ble publisert etter Huygens død. Riktignok demonstrerte han eksperimenter som bekreftet teorien hans om virkningen mens han var i England i 1661. Sekretæren for Royal Society of London skrev: «En ball som veide ett pund ble hengt opp i form av en pendel; da han ble sluppet løs, ble han truffet av en annen ball, suspendert på samme måte, men som bare veide et halvt pund; avbøyningsvinkelen var førti grader, og Huygens spådde etter litt algebraisk utregning hva resultatet ville bli, som viste seg å bli nøyaktig som forutsagt.

Huygens og klokke.

Perioden fra desember 1655 til oktober 1660 så den største blomstringen av Huygens' vitenskapelige aktivitet. På dette tidspunktet, i tillegg til å fullføre teorien om Saturns ring og teorien om virkning, ble nesten alle hovedverkene til Huygens, som brakte ham berømmelse, fullført.

Huygens i mange henseender arvet og forbedret på løsningen av problemer utført av Galileo. For eksempel vendte han seg til studiet av den isokrone naturen til svingene til en matematisk pendel (en egenskap ved svingninger som manifesterer seg i det faktum at frekvensen av små svingninger er praktisk talt uavhengig av deres amplitude). Sannsynligvis var dette en gang Galileos første oppdagelse innen mekanikk. Huygens hadde muligheten til å supplere Galileo: isokronismen til en matematisk pendel (det vil si uavhengigheten til oscillasjonsperioden til en pendel av en viss lengde på amplituden til svingen) viste seg å være gyldig bare omtrentlig, og selv da for små avbøyningsvinkler av pendelen. Og Huygens realiserte ideen som opptok Galileo i hans siste leveår: han designet en pendelklokke.

Oppgaven med å lage og forbedre klokker, spesielt pendelklokker, var Huygens engasjert i i nesten førti år: fra 1656 til 1693.

En av hovedmemoarene til Huygens, viet vurdering av resultater i matematikk og mekanikk, ble utgitt i 1673 under tittelen "Pendulum Clocks or Geometric Proofs Relating to the Movement of Pendulums Fitted to Clocks". I et forsøk på å løse et av hovedproblemene i livet hans - å lage en klokke som kunne brukes som et marin kronometer, kom Huygens opp med mange løsninger og tenkte gjennom mange problemer, og undersøkte mulighetene for deres anvendelse på dette problemet: den cykloidale pendelen , teorien om sveipkurver, sentrifugalkrefter og deres rolle osv. Samtidig løste han nye matematiske og mekaniske problemer. Hvorfor tiltrakk oppgaven med å lage klokker den berømte vitenskapsmannen?

Klokker er en av de eldste menneskelige oppfinnelsene. Først var det sol, vann, timeglass; I middelalderen dukket det opp mekaniske klokker. Lenge var de klumpete. Det var flere måter å konvertere det akselererte fallet av lasten til en jevn bevegelse av viserne, men til og med Tycho Brahes astronomiske klokke, kjent for sin nøyaktighet, ble "justert" med makt hver dag.

Det var Galileo som først oppdaget at svingningene til pendelen er isokrone og skulle bruke pendelen til å lage klokker. Sommeren 1636 skrev han til den nederlandske admiralen L. Real om å koble en pendel til en oscillasjonsteller (dette er i hovedsak pendelklokkeprosjektet!). Men på grunn av sykdom og forestående død fullførte ikke Galileo arbeidet.

Den vanskelige veien fra laboratorieeksperimenter til etableringen av pendelklokker ble overvunnet i 1657 av Christian Huygens, allerede en kjent vitenskapsmann på den tiden. Den 12. januar 1657 skrev han:

"I disse dager har jeg funnet et nytt design av klokker, som tiden måles så nøyaktig med at det ikke er et lite håp om at det skal være mulig å måle lengdegrad med den, selv om de må fraktes sjøveien."

Fra det øyeblikket og frem til 1693 strebet han etter å forbedre klokken. Og hvis Huygens i begynnelsen viste seg som en ingeniør, ved å bruke pendelens isokrone egenskap i en kjent mekanisme, ble hans evner som fysiker og matematiker gradvis mer og mer manifestert.

Blant hans ingeniørfunn var det en rekke virkelig enestående. Huygens 'klokke var den første som implementerte ideen om selvsvingninger basert på tilbakemelding: energien ble gitt til pendelen på en slik måte at "svingningskilden selv bestemte tidspunktene da energilevering var nødvendig." For Huygens ble denne rollen spilt av en enkel enhet i form av et anker med skrått kuttede tenner, som rytmisk skyver pendelen.

Huygens oppdaget at oscillasjonene til pendelen er isokrone bare ved små avviksvinkler fra vertikalen, og bestemte seg for å redusere lengden på pendelen med økende avviksvinkel for å kompensere for avvikene. Huygens fant ut hvordan den skulle implementeres teknisk.

Bølgeteori om lys.

På syttitallet ble Huygens hovedoppmerksomhet trukket mot lysfenomener. I 1676 kom han til Holland og møtte en av skaperne av mikroskopi, Anthony van Leeuwenhoek, hvoretter han prøvde å lage et mikroskop selv.

I 1678 ankom Huygens Paris, hvor mikroskopene hans gjorde et fantastisk inntrykk. Han demonstrerte dem på et møte i Paris Academy.

Christian Huygens ble skaperen av bølgeteorien om lys, hvis hovedbestemmelser har kommet inn i moderne fysikk. Han skisserte synspunktene sine i Treatise on Light , utgitt i 1690. Huygens mente at den korpuskulære teorien om lys, eller teorien om ekspirasjon, motsier egenskapene til lysstråler om ikke å forstyrre hverandre når de krysser. Han mente at universet er fylt med det tynneste, og i høyeste grad, mobile elastiske medium - verdenseteren. Hvis en partikkel begynner å oscillere på et hvilket som helst sted i eteren, overføres oscillasjonen til alle nabopartikler, og en eterisk bølge går gjennom rommet fra den første partikkelen som sentrum.

Bølgekonsepter tillot Huygens å teoretisk formulere lovene for refleksjon og lysbrytning. Han ga en visuell modell av forplantningen av lys i krystaller.

Bølgeteorien forklarte fenomenene innen geometrisk optikk, men siden Huygens sammenlignet lysbølger og lydbølger og mente at de er langsgående og forplanter seg i form av impulser, kunne han ikke forklare fenomenene interferens og diffraksjon av lys, som avhenger av periodisitet av lysbølger. Generelt var Huygens mye mer interessert i bølger som forplantning av svingninger i et gjennomsiktig medium enn i selve oscillasjonens mekanisme, noe som ikke var klart for ham.

Historier om forskere i fysikk. 2014

Den første mekaniske klokken oppfunnet av kineserne ble drevet av enorme, sakte roterende vannhjul av tre. På 1300-tallet det var hjulklokker drevet av senkende vekter, men disse klokkene var upålitelige og unøyaktige. Klokken trengte en mekanisme for å justere hastigheten, som ble oppfunnet på 1600-tallet. Pengen ble en slik mekanisme, som fant den første praktiske anvendelsen i klokker.

I 1582 demonstrerte den italienske forskeren Galileo Galilei at en pendel - en vekt hengt opp i en tynn stang - alltid svinger med konstant hastighet. I tillegg beviste han at svingningshastigheten bare avhenger av lengden på pendelen, og ikke av størrelsen på vekten festet til enden. For eksempel gjør en pendel 1 m lang en svingning (frem og tilbake) på 1 sekund. Men hvis en pendel av denne lengden fortsetter å svinge, kan den brukes til å måle tid i sekunder. Galileo hadde denne ideen, og i 1641 - et år før hans død - fortalte han sønnen Vincenzo hvordan han skulle lage en klokke, hvis kurs reguleres av en pendel. Men Vincenzo hadde ikke tid til å fullføre arbeidet; de første pendelklokkene dukket opp først i 1657. De ble designet av den nederlandske forskeren Christian Huygens og laget av urmakeren Solomon Coster i Haag. De sakket etter eller stakk av med 5 sekunder om dagen, noe som betydelig oversteg nøyaktigheten til alle klokker på den tiden.

Klokkependler brukte ikke gjenger, men metallstenger. Men temperaturen påvirker metallet, så lengden på stengene endret seg, noe som gjenspeiles i klokkens nøyaktighet. I varmt vær ble metallstangen forlenget og forkortet i kaldt vær. For eksempel, for at en klokke med en ett-sekunds pendel skal miste ett sekund per dag, er det nok å øke lengden på pendelen med 0,025 mm, noe som oppstår når temperaturen stiger med bare 2 "C. Oppfinnerne løste snart dette problemet ved å lage en pendel med konstant lengde. I 1722 fant den engelske mekanikeren George Graham opp kvikksølvpendelen (kunngjort i 1726) ved å feste et glasskar fylt med kvikksølv til enden av pendelen. Da pendelen forlenget seg nedover pga. økning i temperatur, ble dette kompensert av ekspansjonen av kvikksølvet i fartøyet, som virket i motsatt retning.

En annen løsning var gitterpendelen av vekslende strimler av stål og kobber, oppfunnet av den engelske urmakeren John Harrison i 1728. Kobber utvider seg mer enn stål, så utvidelsen ble kompensert av den mindre utvidelsen av stål. Nå er pendelstengene laget av Invar, en legering av jern og nikkel, som nesten ikke utvider seg ved oppvarming. Denne legeringen brukes også til å lage målebånd og stemmegafler, hvor konstant lengde er veldig viktig.

En elev av Galileo, den italienske vitenskapsmannen Vincenzo Viviani laget denne skissen av en pendelklokke; se rekonstruksjonen av pendelen i fig. oss. 1. 3.

Denne pendelklokkemodellen ble laget på 1800-tallet. basert på Vivianis skisse av Galileos prosjekt. Energikilden for klokken ble ikke angitt der, så det kan antas at den ble drevet av synkende vekter.

I en mekanisk klokke styres hastigheten som energien til en synkende vekt frigjøres med av en mekanisme som kalles en escapement. En hammer opphengt i en pendel får ankeret til å svinge. Ankeret stopper vekselvis og frigjør flukthjulet, slik at det gradvis frigjør energien til den synkende vekten, som driver hovedhjulet. En timeviser er festet til aksen til hovedhjulet.

Etter å ha hedret minnet om læreren sin hellig, ble Viviani dypt såret da han 16 år etter Galileos død falt i hendene på en liten bok utgitt i Holland: A Treatise on Clocks. Forfatteren Huygens kalte oppfinneren av pendelklokken ikke Galileo, men seg selv. Han skrev at han i 1657 beordret en mekanisme fra Haag for å mestre Solomon Koster og ga ham privilegiet gitt for denne oppfinnelsen av generalstatene i Nederland. Viviani skrev en tilbakevisende brosjyre, og prins Leopold de' Medici, som han henvendte seg til, tok på seg rollen som megler i denne delikate saken.

Da Huygens mottok prinsens brev, hørtes det ut som torden fra klar himmel for ham. Han ble anklaget for plagiat! Hvordan bevise at han ikke en gang mistenkte intensjonen til Galileo, som var dypt respektert av ham, om å bygge en slik klokke? Og brevet prikker direkte til i-en: han klarte i all hemmelighet å bli kjent med Galileos hemmelige korrespondanse med generalstatene, han brukte tegningene sine. Vedlagt er kopier av Galileos tegninger - se, utlign ...

Huygens var heldigvis berømt. En matematiker, astronom, optiker, i en alder av 29 er han allerede anerkjent av den vitenskapelige verdenen i Holland, Frankrike og England. Han ble tatt opp i de hemmelige arkivene i Nederland, gitt til å lese korrespondansen med Galileo. Det viser seg at det ikke snakker om timer, men om en metode oppdaget av en italiensk vitenskapsmann for å bestemme lengdegrad fra Jupiters satellitter, godt synlig i det galileiske teleskopet.

Den andre, ikke mindre viktige omstendigheten: Galileos mekanisme ligner ikke i det hele tatt mekanismen oppfunnet av Huygens.

Alt dette uttalte den unge nederlenderen i et høflig svar til Medici-prinsen. Til slutt tilskrev han at han anser det som en stor ære å løse problemet med å lage en pendelklokke, som den store Galileo ikke taklet, men ubetinget anerkjenner Galileos forrang i å oppdage pendelens egenskaper. (Sannsynligvis ville alle deltakerne i tvisten blitt overrasket hvis de visste at 200 år før Huygens og Galileo, oppfant Leonardo da Vinci pendelklokken. Men Leonardos papirer ble oppdaget først etter ytterligere tre århundrer.)

Etter å ha bevist inkonsekvensen i anklagene, publiserte Huygens i 1673 den andre utgaven av Treatise on the Clock, men ikke en kort beskrivelse av mekanismen, men en dyp analyse av problemet. I de fem delene som utgjorde boken, var bare den første viet til selve klokken. Videre ble pendelen studert - både ideell, matematisk og virkelig, fysisk, hvis arbeid viste seg, som alltid skjer, å være mye vanskeligere å forstå enn idealets prinsipper. Huygens koblet lengden på en fysisk pendel og perioden for dens svingninger med tyngdekraften (Galileo kunne ikke utlede denne formelen) og beregnet den berømte g- gravitasjonskonstanten, og med en veldig høy nøyaktighet for den tiden. Kort sagt, som den kjente sovjetiske teknologihistorikeren N.I. Idelson, boken "gikk ned i vitenskapens historie som et eksempel på sammensmeltningen av tekniske, konstruktive problemer med et helt nytt teoretisk grunnlag for dens fullstendige løsning."

Og enda et ekstremt viktig spørsmål ble diskutert i Huygens bok. Det ble matematisk bevist at, i motsetning til Galileo, avhenger svingningsperioden til en pendel av svingningens amplitude. Forskjellen kan ikke merkes ved å bruke ens egen puls for målinger - det er ikke overraskende at Galileo ikke visste om denne ujevnheten.

I praksis betydde dette igjen det samme: klokken ville lyve. Ufullkommenheten til sporet vil føre til at kraften som skyver pendelen vil endre seg hele tiden. Amplituden til oscillasjonene og perioden vil vise seg å være variabel, og sekundene som telles av pendelen vil være forskjellige. Selvfølgelig kan feil reduseres ved å redusere amplituden, men de kan i prinsippet ikke elimineres.

Hva å gjøre? Avhandlingen ga en beskrivelse ikke bare av sykdommen, men også av midlet. Du kan fikse pendelen ved å få lasten til å svinge langs en bue, ikke en sirkel, men av cykloider (punkter på et hjul som ruller langs en flat vei beveger seg langs denne bølgete kurven). Huygens foreslo å gjøre pendelstangen fleksibel og klemme den på opphengspunktet mellom to divergerende kinn, som hver er bøyd langs en cykloid. Så, hevdet Huygens, ville bøyningsstangen få pendelens linse til å bevege seg langs sykloiden.

Akk, oppfinnelsen tålte ikke prøven. Friksjonen av stangen mot kinnene påvirket perioden mer betydelig enn variasjonen i rekkevidden. Den cykloidale pendelen ga ikke nøyaktighet til en god klokke, men den var rett og slett ikke nødvendig for en dårlig. Etter flere mislykkede forsøk, forlot Huygens selv det. Pendelen lærte å beskrive den riktige sykloiden uten kinn bare tre hundre år senere takket være oppfinnelsen av den sovjetiske urmakeren F.M. Fedchenko, hvis arbeid vi vil snakke om senere.

Men selv i sin enkleste form var pendelen som hastighetsregulator fortsatt et utmerket funn. Feilen på klokkeavlesningene ble umiddelbart redusert med 15 ... 20 ganger, de sluttet å klage på urmakerne. Nøyaktigheten ble ikke lenger målt på et kvarter, men i minutter og til og med flere titalls sekunder om dagen. En kolossal rolle i den raske spredningen av innovasjon ble spilt av den "teknologiske egnetheten" til oppfinnelsen. I motsetning til Galileos pendeltrekk, krevde ikke Huygens' trekk nesten noen endring av mekanismen: det var bare nødvendig å kaste ut Bilyane og sette på plass et par ekstra hjul og ordne en pendeloppheng. Begge var innenfor makten til en urmaker med gjennomsnittlig dyktighet. Det var ikke nødvendig å justere klokken etter ferdigstillelse: de begynte å gå med en gang. Nyheten spredte seg raskt over hele Europa. Hun gikk heller ikke utenom Russland.

Ved slutten av XVII århundre. vitenskapen i Europa bryter endelig med Aristoteles' skolastikk og en ny tid begynner for den - tiden for tillit til erfaring. Den viktigste rollen i denne svingen tilhører Galileo Galilei (1564-1642). Men av alle hans tallrike studier vil vi kun fokusere på de der hovedrollen ble spilt av observasjoner av de mest vanlige fenomenene, ignorert av mange mennesker før ham. En gang, da den 19 år gamle Galileo satt i katedralen i Pisa under en lang preken, dyttet tjeneren som tente lysene klønete på lampen som hang i et langt tau, og den begynte å svaie. Galileo bemerket hvor mange slag av pulsen hans som tilsvarte en hel oscillasjon av lampen, men etter en stund, da svingningsområdet ble merkbart redusert, ble han overrasket over å se at antallet pulsslag forble det samme. Fra dette fulgte isokronisme, dvs. uavhengigheten til pendelens svingningsperiode fra amplituden!

Videre legger han merke til at alle lamper med samme lengde på suspensjonen, men til og med med forskjellig masse, svinger med samme frekvens, dvs. svingningsperioden avhenger bare av lengden på suspensjonen og er ikke avhengig av massen og formen på lampen. Således hadde fysikere en enhet som gjorde det enkelt å måle tid (før det brukte de timeglass eller vannklokke, de hadde alle forskjellige, noe som ikke tillot å sammenligne resultatene av forskjellige observasjoner).

Siden Galileo ble utnevnt til professor i matematikk i Pisa, var han ifølge legenden i stand til å gjennomføre eksperimenter på det berømte skjeve tårnet. Her legger han merke til at for eksempel en murstein og en bunt av samme klosser faller ned samtidig. Konklusjon: fallhastigheten avhenger ikke - eller nesten ikke avhengig - av masse, en viss forskjell oppstår fra luftmotstand, men dette ble forstått senere. (Dette er mest sannsynlig bare en legende: det var lettere for Galileo å studere lovene om å falle ved å skyte ut kuler med forskjellig masse på et skråplan - prosessen strekker seg over tid og luftmotstanden avtar. Å kaste murstein fra et tårn kan bare være nødvendig som en spektakulær demonstrasjon, som var elsket i før-tv-tider. ) Basert på sine eksperimenter var Galileo i stand til å definere begrepet akselerasjon, som har vært uendret til i dag. Men disse eksperimentene førte til at han, som motstander av Aristoteles, ble utvist fra Pisa, likevel fortsatte han dem et annet sted: tårnet var ikke lenger nødvendig for forskning, et skråfly var nok. Forresten, tidspunktet for bevegelse av ballen over hele flyet, langs halvdelen, etc. han målte også ved volumet av vann som strømmet ut av en smal spalte i karet. Galileo stopper selvfølgelig ikke der: man må studere bevegelsen til en kropp kastet horisontalt. Her klarer han å generalisere Tartaglias observasjoner, utlede en regel for å legge til hastigheter og vise at banen til en slik kropp er en semi-parabel.

Av eksperimentene til Galileo er det interessant å beskrive en annen hvor teorien om svømming av Archimedes kropper for første gang på nesten to tusen år ble testet og bevist (tvilen i den var forårsaket av det faktum at isflak flyter på overflaten av vannet, og på den tiden, etter Aristoteles, ble det akseptert at stoffet måtte komprimeres under størkning). Opplevelsen var som følger: en vokskule, som du enkelt kan sjekke, synker i rent vann, men ved å tilsette salt i vannet kan du få ballen til å flyte opp, og ved å tilsette vann kan du få den til å synke igjen. Dermed er det vist at betingelsene for flytende (faste) legemer bestemmes av forholdet mellom deres tettheter og væskens tetthet.

Litt tidligere, og tilsynelatende samtidig, begynte flere optikere (gresk "opticos" - visual) å bygge teleskoper med to linser, som hovedsakelig ble brukt som leker: folk klatret opp i klokketårnet og undersøkte omgivelsene (mange var indignerte kl. det faktum at det var mulig å se inn i andres vinduer), prøvde regjeringer å klassifisere disse enhetene for å bruke dem til militære formål. Galileo var den første som tenkte på å se på himmelen gjennom et slikt rør, og oppdagelser regnet ned i et snøskred: fjell på månen, satellitter til Jupiter og senere Saturns ringer, slik at astronomi ble radikalt forvandlet. I følge noen rapporter prøvde han også å bygge det første mikroskopet, vi vil snakke om hans andre oppfinnelser nedenfor. Galileo måtte selvfølgelig bygge sine egne instrumenter.

Det er umulig å beskrive eller til og med liste opp alle prestasjonene til Galileo innen fysikk og astronomi. Men hovedsaken er annerledes: det er åpenbart at støvpartikler faller saktere enn en stein, og Galileo viser at man ikke kan stole blindt på tilsynelatende bevis. Det er i dette prinsippet, i det faktum at det var Galileo som var den første som viste og beviste behovet for eksperimentell verifisering av alle konstruksjoner i fysikk og samtidig deres detaljerte matematiske beskrivelse, er hans varige fortjeneste, og derfor det er han som kan betraktes som grunnleggeren av moderne eksperimentell vitenskap.

I 1633 ble Galileo, som du vet, fordømt av kirken og erklært en "fange av den hellige inkvisisjon" for å ha påstått at den heliosentriske modellen til Copernicus ikke motsier de hellige skrifter (merk at før Galileo ble alle vitenskapelige skrifter skrevet i Latin som ikke var lett tilgjengelig, og han byttet til italiensk). Bare 350 år senere, i 1984, gjennomgikk Vatikanet, på initiativ fra pave Johannes Paul II, «saken» til Galileo og innrømmet at denne modellen «ikke motsier» Bibelen og vitenskapsmannen ble «rehabilitert»!

Nå må vi gå videre til den mest, kanskje, den store vitenskapsmannen fra den tiden - Johannes Kepler (1571 - 1630). For å forstå dens rolle i utviklingen av vitenskapen, er det nødvendig å huske den da allment aksepterte oppfatningen om at naturen og alt som skjer i den gjenspeiler den guddommelige viljen, og derfor er spørsmålet om årsakene til fenomenet rett og slett upassende og uverdig. av en sann troende. Kepler var den første som stilte et slikt spørsmål om planetenes bevegelse, og han måtte lete etter måten å svare på det på: å lete etter en forbindelse i veien til religiøse symboler eller å finne en ny vei. (I den første utgaven av boken hans "Secrets of the Universe" skriver han om sjelene til planetene og solen, i den andre utgaven erstatter han ordet "sjel" med ordet "kraft".)

Kepler var en assistent (faktisk arving) av den bemerkelsesverdige astronom-observatøren Tycho Brahe, som utførte de mest nøyaktige målingene av posisjonen til solen og planetene (vi husker at det ikke fantes noen teleskoper ennå). Spesielt satte Brahe nøyaktig inn dagene for jevndøgn, vinter- og sommersolverv. Disse resultatene, sammen med sine egne, var Kepler i stand til å tenke over og bearbeide. Som du vet, 21. mars og 21. september, er varigheten av dagen og natten nøyaktig like - dette er dagene for vår- og høstjevndøgnene, de ser ut til å dele året i to deler. Men teller man antall dager fra 21. september til 21. mars og så omvendt, viser det seg at disse intervallene ikke er like: 181 dager går fra høstjevndøgn til vårjevndøgn, og 184 dager fra høst til vår, tre dager til!

Nesten alle har kalendere i hendene, og alle kunne gjøre disse beregningene og tenke på dem. Men det krevde Johannes Keplers geni for å være seriøs oppmerksomhet til en slik bagatell og trekke en meget vidtrekkende konklusjon, nå kalt Keplers første lov: alle planeter kretser rundt solen i ellipser, i et av fokusene som er solen. Og Kepler var basert på dette. Hvis planetene roterte, slik både Ptolemaios og Kopernikus trodde på sirkler, ville de passere hver halvdel av sirkelen på samme tid. Men siden, som vi ser, dette ikke er slik, betyr det at de ikke beveger seg langs sirkler, men langs noen baner nær dem. Den nærmeste jevne kurven til en sirkel er en ellipse, som også er godt studert.

"Sporene av geometri er innprentet i verden som om geometri var prototypen på verden," sa Kepler selv. Men dette er fortsatt bare en hypotese, de vanskeligste, spesielt for den tiden, langtidsobservasjoner, hans egne og avdøde Tycho Brahes, trengs (først mot slutten av verket finner Kepler opp et svakt teleskop!) Og beregninger - på papir, i en spalte! Og nå om de tre dagene - dette er allerede en konsekvens av Keplers andre lov, ifølge hvilken planetene, nær Solen, ved perihelion, beveger seg raskere enn ved enden av ellipsen, ved aphelion. Kepler er en strålende vitenskapsmann: han forstår at enhver teori må testes på forskjellige objekter. Derfor, allerede med sitt primitive teleskop, foretar han utrolige målinger i kompleksitet og nøyaktighet av banene til satellittene til Jupiter, nylig oppdaget av Galileo, og beviser at deres bevegelser adlyder de samme lovene som bevegelsene til planetene - Keplers teori kan være anses som verifisert! (Det faktum at hans samtidige Galileo ikke var enig med ham og fortsatte å vurdere banene til planetene sirkulære!)

Og det som er viktigst i Keplers arbeid: han var den første som prøvde å finne universelle lover basert på terrestrisk fysikk, men også styrende himmellegemer - før ham var det ingen anelse om enheten i forhold i det hele tatt (det er fortsatt ingen krefter, konseptene som Newton introduserte ) i naturen: det ble akseptert at noen lover fungerer på jorden og helt annerledes - i himmelen. Det er veldig viktig at Keplers bok "New Astronomy" har undertittelen "New Physics" - slik bekreftes deres enhet.

Det er umulig å ikke si noen få ord om Kepler som person. Moren hans, en absolutt analfabet kvinne, er anklaget for hekseri og stilt for rettssak av inkvisisjonen, noe som nesten helt sikkert betyr å brenne på bålet. Kepler, fortsatt ukjent for noen, til fots, over halve Tyskland, kommer til dommens sted og - på det tidspunktet høres det ut som et mirakel - med sin lidenskapelige og logiske tale oppnår han sin mors rettferdiggjørelse.

Ved å evaluere fordelene til Kepler, skrev A. Einstein: «Hvor dyp troen hans var på en slik regelmessighet, hvis han, ved å jobbe alene, støttet og ikke forstått av noen, i mange tiår hentet styrke fra det for vanskelig og møysommelig empirisk studie av bevegelsen til planetene og de matematiske lovene for denne bevegelsen!»

Egenskapene til en magnet for å tiltrekke seg jerngjenstander var kjent i antikkens Hellas, kineserne kan ha brukt et slags kompass. Men de første seriøse studiene ble utført bare av William Gilbert (1544-1603), livlegen til dronning Elizabeth I: overraskende nok var han den første som prøvde - som enhver nysgjerrig gutt burde ha gjort - å knekke magneten, så den i stykker og se hva som kommer ut av det: det viste seg at hver del også er en magnet.

Så kom Hilbert med det viktigste fysikkinstrumentet: han gjettet å henge en magnetisert nål på en tråd, og med dens hjelp beviste han at hver magnet har to og bare to poler. (Videre vil vi nevne hans landsmann P. A. M. Dirac, som allerede på 1900-tallet uttrykte tvil om denne uttalelsen.) I dette tilfellet frastøter som poler, og motsatte tiltrekker seg. Tiltrekningskraften, som Gklbert etablerte, øker hvis en armatur festes til en magnet - rent jern, som ikke magnetiserer seg selv, kan ikke bli en permanent magnet, men får slike egenskaper bare i et magnetfelt.

Etter å ha laget en jernkule og magnetisert den viste Gklbert ved hjelp av nåler at denne kulen har de samme egenskapene som jorden, og kalte derfor jorden en stor magnet. (Tidligere ble det antatt at kompassets magnetiske nål er tiltrukket til et punkt på himmelen.) I tillegg til magnetisme studerte Gilbert også elektriske fenomener. Her, siden Thales of Miletus tid (640-550 f.Kr.), var det bare kjent at rav båret på ull tiltrekker seg lette små kropper (sugerør, papirbiter). Gilbert begynte å prøve å elektrifisere andre stoffer ved friksjon og viste at mange flere av dem har de samme egenskapene, og etter å ha oppfunnet det første elektroskopet, begynte han å kvantitativt sammenligne egenskapene til disse kroppene, graden av reduksjon i størrelsen på elektrisasjonen avhengig av belysning, fuktighet osv. For alle disse egenskapene foreslo han navnet "elektrisitet" fra det greske ordet "elektron" - rav. Legg merke til at i løpet av de neste hundre årene ble ingenting nytt lagt til resultatene og oppfinnelsene hans, virkelig strålende i sin enkelhet.

Aristoteles, som vi husker, introduserte prinsippet "naturen er redd for tomhet" og ved hjelp av denne frykten for tomhet (horror vacui) forklarte fortsettelsen av bevegelsen av kropper i fravær av krefter. Galileo prøvde å måle styrken til nettopp denne frykten: han fylte et glassrør forseglet i den ene enden med vann, lukket det med et bevegelig stempel og veltet det, og bandt deretter vekter til stempelet for å måle ved hvilken belastning et tomt rom vil dukke opp på toppen av vannsøylen, dvs. kraften til frykt for tomhet vil bli overvunnet. (Nå forstår vi selvfølgelig at kohesjonskraften til vannsøylen ble målt på denne måten.)

Problemet eskalerte da gartnerne til hertugen av Medici kom til den gamle og nesten blinde Galileo: de gravde en dyp, 12 meter dyp brønn, og av en eller annen grunn løftet ikke en eneste pumpe vann derfra til overflaten. For å forstå problemet spurte Galileo sin nylig dukkede student Torricelli (1608-1647). Lange overveielser førte til ingenting, før Torricelli innså at man i stedet for en 12-meters vannsøyle burde prøve å gjøre eksperimenter med kvikksølv, som er 13,6 ganger tyngre, og derfor kreves det en søyle mindre enn en meter høy (vi kan anta at det i dette øyeblikket var en metode for modellering!).

I det aller første eksperimentet, på vegne av Torricelli, ble det utført i 1643 av Vincenzo Viviani (1622-1703), kvikksølv ble helt inn i et glassrør som var omtrent 1 meter langt forseglet i den ene enden. Viviani dekket det frie hullet med fingeren, snudde røret opp ned og senket det vertikalt ned i karet med kvikksølv. Kvikksølvet begynte å renne ut og stoppet i en høyde på omtrent 76 cm, så ble Torricelli truffet av en annen idé: over kvikksølvet er det et tomrom (nå kalles det Torricelli-tomrommet), og høyden på kvikksølvsøylen tilsvarer til trykket fra atmosfæren - den beryktede "frykten for tomrommet" har ingenting med det å gjøre!

Faktisk brukte Torricelli loven om å kommunisere fartøy på en helt ny måte: det har lenge vært kjent at hvis to vertikale fartøyer med vann er forbundet nedenfra med et rør, vil vann flyte over mellom dem til det er etablert på samme nivå i begge knærne. Hvis det imidlertid er forskjellige væsker i disse knærne, for eksempel vann og alkohol, viser høyden på søylen til lettere av dem å være høyere: man kan tenke at på denne måten blir lettheten kompensert.

Vel, hvis et av knærne ikke er flytende, men luft? La oss sammenligne høydene på søylene med vann og kvikksølv: ifølge gartneres observasjoner stiger vannet bare til et nivå på omtrent 10 meter, ifølge Vivianis målinger stiger kvikksølv til et nivå på 76 cm. Dermed er forholdet mellom høyder er et sted rundt 13-15, som er nær forholdet mellom spesifikk vekt kvikksølv og vann. Derfor kan vi konkludere med at i dette eksperimentet var det ene benet et rør med kvikksølv, og det andre - hele atmosfæren. Imidlertid var denne ideen, ideen om atmosfærisk trykk, så ny og virket så paradoksal at det tok oppfinnsomheten til mange forskere for å gjøre den naturlig og som om den ble tatt for gitt.

Otto von Guericke (1602-1686), en diplomat og mangeårig (i 32 år!) borgermester i den strålende handelsbyen Magdeburg, Otto von Guericke (1602-1686) klarte å tydelig bevise for hele verden eksistensen av tomhet og rollen til atmosfærisk trykk etter at han oppfant luftpumpen.

"Jeg oppfant og bygde en rekke verktøy og enheter for å bevise eksistensen av det hittil ukjente tomrommet," skrev Guericke. Og erfaringen som han viste til medlemmene av den tyske riksdagen den 8. mai 1654, i vår tid, ville ha vært den første linjen på alle verdens tv-kanaler. Dette eksperimentet, oftest avbildet i historiebøker, ble utført som følger. Fra en stor kobberkule, lett delt i to halvkuler (når de ble påført hverandre, ble forbindelsen forseglet med en lærpakning), ble luft pumpet ut. Da ble åtte tunge hester spennet til ringene på halvkulene på begge sider, men uansett hvordan de ble drevet, klarte de ikke å rive halvkulene fra hverandre. Etter det, alle som ville åpne kranen, brast luften inn i ballen med et forferdelig brøl, og det ble lett adskilt med hender. (Det er nå klart for oss at det ikke er nødvendig å binde åtte hester på hver side: én side kan bindes til veggen, men for det første ville effekten være mindre, og for det andre hadde Newtons tredje lov ennå ikke blitt oppdaget.)

I tillegg til de første luftpumpene og akustiske eksperimentene, ble Guericke berømt for det faktum at han oppfant en elektrostatisk maskin, et hygrometer, oppdaget fenomenene elektrostatisk induksjon, glød under utløpet av ladninger osv. Men vi er nå interessert i noe annet: da en dag, i 1660, vitnesbyrdet fra en oppfunnet Vannbarometeret begynte å synke kraftig, innså Gerike at dersom lufttrykket her avtar sterkt, så vil snart luftstrømmer strømme inn på dette stedet fra alle kanter og en storm vil begynne , som han advarte alle innbyggerne om. Dette var begynnelsen på vitenskapelig værvarsling.

Vitenskapelige sannheter er imidlertid ikke så lett å oppfatte. Det tok nesten to århundrer og en katastrofe med mange ofre før Guerickes metode ble allment akseptert: 2. august 1837 advarte sjefen for havnen i Puerto Rico sjømenn om et utrolig kraftig fall i barometeravlesninger og en kommende storm. De hørte ikke på ham, og alle de 33 skipene som lå i havna sank!

Blaise Pascal (1623-1662) var det mest fremragende vidunderbarnet og et av de mest allsidige menneskene i historien. Han gjorde sine første oppdagelser i en alder av ... 5 år: faren hans gikk inn i barnehagen med gjestene og så at gutten bygde trekanter av pinner på gulvet - det viste seg at han uavhengig gjenoppdaget en rekke innledende teoremer av geometri. Ved å hjelpe sin far, en skatteinspektør, i lange beregninger, oppfant og bygde han, tilsynelatende i en alder av 14, den første mekaniske adderingsmaskinen, i en alder av 16 skrev han en bok om matematikk, hvor han skisserte en rekke nye resultater , og la senere grunnlaget for sannsynlighetsteorien. I bare tre år, fra 1647 til 1650, var Pascal intensivt engasjert i fysikk, hvor han gjorde mange oppdagelser, og fra 1653 fordypet han seg nesten fullstendig i religion, og skrev to bøker som, ifølge mange, begynner med moderne fransk litteratur.

Etter å ha lært om opplevelsen til Torricelli, bestemmer Pascal at luften under påvirkning av vekten skal tykne nedover, det vil si at atmosfærisk trykk skal falle med høyden. Derfor ber han, en svært sykelig og fysisk svak mann, sin svigersønn F. Perrier om å bygge to barometre etter Torricellis beskrivelser og bestige fjellet med en av dem (den andre forblir til sammenligning ved foten) . Den 19. september 1648 utfører Perrier dette eksperimentet (og går dermed inn i historien): når han klatrer et fjell, ser han virkelig en kontinuerlig nedgang i en kvikksølvsøyle - hypotesen er bevist, trykket avhenger virkelig av luftsøylens vekt . Pascal publiserer en brosjyre som beskriver eksperimenter: frykten for tomrommet, den beryktede horror vacui, eksisterer ikke lenger!

Vel, avhengigheten av trykk på høyden på vannsøylen, formelen som Pascal utledet, demonstrerte han med et stort sammenløp av adelen ledet av kongen i byen Clermont-Ferrand. I et kraftig, tett eikefat, fylt til siste plass med vann, ble det satt inn et tynt, høyt opp til tredje etasje; når bare ett glass vann ble helt inn i dette røret fra passende høyde, kunne ikke den førti bøtte tønnen tåle trykket og sprakk - publikum så med egne øyne at trykket ikke er avhengig av vannmassen, men bare på høyden av søylen.

Robert Boyle (1627-1691), den 14. sønnen til jarlen av Cork, var ikke bare en fremragende kjemiker, fysiker og filosof, men også en sekulær person, han var venn med kong Charles II, som selv var interessert i vitenskap og eksperimenter . Derfor var Boyle i stand til å beholde assistenter og laboratorieassistenter for å utføre grovarbeid i en rekke eksperimenter. (Boyle, en religiøs mann, sa at han var redd for å dø bare fordi "i den neste verden" er alt allerede forhåndsbestemt og du kan ikke eksperimentere!)

Spesielt mange målinger av samme type måtte til da Boyle tok opp studiet av trykk i gasser, som ikke var studert av noen tidligere. Så en dag, sier de, instruerte han laboratorieassistenten sin, da han gikk til ballen, om å fortsette å måle endringer i volumet av gass i et lukket kar med en endring i trykk. Boyle kom uventet tidlig tilbake fra ballen og fant indignert at assistenten sov i hjørnet, og ved siden av ham lå et stykke papir med pent skrevne lange kolonner med tilsynelatende oppmålte tall for trykk og volum. Vekket av spark, babla laboratorieassistenten at det ikke var behov for å måle, at produktet av volum og trykk var konstant, men selvfølgelig ble han utvist i skam.

Og så tenkte Boyle på en eller annen måte: hva om? Et møysommelig og langt arbeid begynte, men ideen, ved et uhell uttrykt av en analfabet assistent, viste seg å være riktig under alle kontroller. Slik oppsto Boyle-Mariotte-loven. (Den andre forfatteren gjenoppdaget det noe senere, men engelske bøker har fortsatt Boyles lov, og franske bøker har Edme Mariottes lov (1620-1684), fysikk og botanikk.) Boyle løste også den gamle gåten om hvilken som er lettere - vann eller is : han fylte et sterkt våpenløp med vann, utsatte det for frost, og to timer senere sprakk løpet. Det ble klart for alle at is utvider seg når den fryser.

Robert Hooke (1635-1703) begynte sin vitenskapelige karriere som Boyles assistent. Deretter ble han "kurator for eksperimenter" for det nyopprettede Royal Society i det nå eksisterende vitenskapsakademiet i Storbritannia. Hookes plikt var å gjenta og kontrollere rapportene mottatt av samfunnet om nye funn, samt å forberede og demonstrere for medlemmene av samfunnet (ved hvert møte!) nye eksperimenter. På den ene siden hjalp dette hans utrolige allsidighet som vitenskapsmann, men på den annen side førte det til hastverk, til å bytte fra en påbegynt forskning til en annen, og derfor uttrykte han ofte ideer før han rakk å tenke og utforske dem, og ledet deretter endeløse debatter om prioritering (spesielt med Newton om loven om universell gravitasjon).

Hooke var den første som gjettet at for en bedre undersøkelse av stoffer og gjenstander under et mikroskop, må de kuttes i tynne lag og ses gjennom lyset. Så ved å sette alt som var mulig under mikroskopet, oppdaget han at alle planter har en cellulær struktur, og laget selve ordet "celle". Han beviste videre mikroskopisk at snøfnugg har en krystallinsk struktur, osv. bekreftelse på at faste stoffer, i motsetning til gasser og væsker, alltid har en konstant form; husk at gummi ble oppfunnet mye senere). For å teste denne posisjonen undersøkte Hooke muligheten for å strekke faste stoffer under påvirkning av en belastning - han hengte ganske enkelt opp smale strimler av forskjellige metaller, festet en kopp til bunnen av strimlene, som vekter ble plassert i, og målte (noen ganger ved hjelp av en mikroskop) mengden av forlengelse.

Så han fant ut at forlengelse alltid er direkte proporsjonal med størrelsen på den påførte kraften - dette er den berømte Hookes lov. (Hooke på den tiden kunne ikke bruke en slik belastning der denne loven begynner å bli brutt, derfor er diagrammet over forlengelse av kropper under belastning nå delt inn i Hookes og ikke-Hookes deler.) Hookes landsmann Thomas Jung klargjorde disse studiene bare i 1807 (mer om ham - nedenfor): han fant ut hvordan Hooke-koeffisienten avhenger av lengden og tverrsnittet til den strakte kroppen. Videre beviste Hooke ved lignende eksperimenter at alle stoffer utvider seg når de varmes opp. (Senere ble det funnet ut at denne påstanden ikke er helt sann: når det varmes opp fra null til 4 ° C, trekker vann seg sammen, oppførselen til semimetallvismuten og noen andre avviker fra denne loven, men slike unntak er svært sjeldne, og forklaringer for de ble funnet først på 1900-tallet.) Dermed var Hooke faktisk grunnleggeren av faststofffysikk.

La oss gå litt tilbake i tid og se på et bemerkelsesverdig optisk eksperiment utført av Francesco Maria Grimaldi (1618-1663), en jesuittmunk og fysiker. Eksperimentet var veldig enkelt og hadde blitt gjort mange ganger før: en lysstråle ble ført inn i et mørkt rom gjennom et lite hull, som ble til en kjegle i rommet, slik at det ble en lys sirkel eller ellipse på skjermen. Alt dette var velkjent. Men så introduserte Grimaldi i denne kjeglen, i ganske stor avstand fra hullet, en pinne, hvis skygge skulle krysse en lys sirkel på skjermen. Og det viste seg plutselig at for det første er skyggen bredere enn den burde være, basert på ideen om rettlinjet forplantning av lys, og for det andre, på begge sider av den sentrale skyggen, kunne en, to eller tre mørke striper være sett, avhengig av lysstyrken til sollyset. , og for det tredje var kantene på disse båndene blåaktige fra midten og rødlige fra motsatt kant.

Da Grimaldi laget to tette hull i skoddene, var han i stand til å legge merke til mange nye funksjoner når de lyse sirklene overlappet hverandre på skjermen: mørke ringer dukket opp rundt hver av dem, hvis skjæringspunkter var lettere enn begge ringene. I ytterligere eksperimenter endret han formene og størrelsene på hull, deres kombinasjoner. Dermed oppdaget Grimaldi at i tillegg til refleksjon (refleksjon) og refraksjon (refraksjon), er det også et fenomen, som han kalte diffraksjon, og som består i delvis avrunding av hindringer med lys.

Christian Huygens (1629-1685), en strålende fysiker og matematiker, gikk først og fremst ned i historien som tidenes største urmaker, som oppfant pendeluret, og deretter oppfant klokken med en fjærvekt. Vann og timeglass har eksistert i to årtusener, men hver av deres eksemplarer ble preget av sine egne egenskaper, sin "hastighet". Solur, dvs. en vertikal søyle, hvis skygge beveger seg med solens bevegelse og viser tiden på en trukket skive, må ha mange skalaer, for hver måned i året i det minste, og slike klokker fungerer selvfølgelig ikke i dårlig vær og om natten.

Allerede i XIII-XIV århundrer. begynte å bygge hjul eller mekaniske klokker, for det meste tårnklokker. De ble satt i bevegelse av tunge vekter, og så roterte vektene som gikk ned ned hjulsystemene og pilene. Men vektene akselererte gradvis under nedstigningen, og tiden «begynte å flyte raskere».

Da Galileo oppdaget pendelens isokronisme, ble det klart for ham at pendelen kunne brukes til å måle tidsintervaller. Det var for eksempel mulig å skrive at under nedstigningen av en last fra et slikt og et skråplan, gjorde en pendel 1,5 m lang fem svingninger, og så kunne enhver annen person gjenta dette eksperimentet og sjekke den kvantitative riktigheten av resultatet . Men du kan ikke sitte og telle antall svingninger hele tiden: det ble klart at du må finne opp og på en eller annen måte feste en teller av disse svingningene til pendelen.

Oppfinnerne slet med dette problemet i rundt sytti år – og uten resultat. Og Huygens løste problemet på en strålende enkel måte (ett av tegnene på en strålende oppdagelse, en oppfinnelse er at når den er ferdig, ser det ut til at hvem som helst kunne ha tenkt på det før seg selv). Hvorfor, bestemte han seg for å finne opp en slags teller, er det allerede mekaniske klokker, de er også en teller: du trenger bare å feste en slik skralle, en "hund", slik at en vekt på hver svingning av pendelen en lang stang lar denne hunden drivhjulet snu seg for én tann. (Og nå er det de mest upretensiøse klokkene med vekt, oftere allerede i sett med barnedesignere, som nøyaktig gjentar Huygens klokker.)

Dermed ble det vanskeligste problemet med måleteknologi på den tiden løst. Så fant Huygens opp en klokke med fjærbalanser, lomme eller håndledd (her prøvde Hooke å utfordre sin prioritet, og ikke bare han alene). Denne klokken var i stand til å løse det viktigste problemet med å bestemme posisjonen til et skip til sjøs: Det britiske admiralitetet annonserte en åpen konkurranse for å finne den beste måten å bestemme lengdegraden til et skip med en enorm premie for den tiden. (Breddegrad kan bestemmes fra vinkelen til solen ved middagstid med forhåndsberegnet tabeller.)

Oppfinnelsen av vårklokker løste dette problemet fullstendig. Hvis skipet har en nøyaktig klokke, et kronometer som viser tiden langs Greenwich-meridianen, kan du bestemme lengden din ved å bestemme avlesningen ved middagstid på et gitt sted, det vil si i det øyeblikket skyggene er kortest: en time betyr en forskjell fra Greenwich-meridianen med 15° osv. (Sola gjør en hel sirkel på 360° på 24 timer, derav denne figuren.) Legg merke til at tidligere ble de samme øyene gjenoppdaget mange ganger, og deres posisjoner på kartene var forskjellige med tusenvis av miles.

Ikke bare tenk at Huygens' meritter er begrenset til klokker, selv om dette ville vært nok for udødelighet i historien: han utviklet bølgeteorien om lys og foreslo et prinsipp som er oppkalt etter ham og fortsatt er grunnlaget for alle bølgeteorier, bl.a. optikk og akustikk. Og her er en nysgjerrig og lærerik historie, beskrevet av ham i ett brev i 1693. I slottet Chantilly ved Paris la Huygens merke til at hvis du står mellom trappen og den fungerende fontenen, hører du en lyd som ligner en musikalsk tone: han antydet at dette skyldes refleksjoner fra trinn med lik avstand. Etter å ha målt bredden på trinnene, lager Huygens et papirrør av samme lengde og finner ut at det avgir samme tone - faktisk trekker trappen ut en resonansfrekvens fra støyen fra fontenen, og Huygens fant et eksempel på nedbrytningen av støy inn i et akustisk spektrum.