Біографія

Християн Гюйгенс - нідерландський механік, фізик, математик, астроном та винахідник.

Один із основоположників теоретичної механіки та теорії ймовірностей. Зробив значний внесок в оптику, молекулярну фізику, астрономію, геометрію, годинну справу. Відкрив кільця Сатурна та Титан (супутник Сатурна). Перший іноземний член Лондонського королівського товариства (1663), член Французької академії наук з її заснування (1666) та її перший президент (1666-1681).

Гюйгенс народився Гаазі в 1629 року. Батько його Костянтин Гюйгенс (Хейгенс), таємний радник принців Оранських, був чудовим літератором, який здобув також гарну наукову освіту. Костянтин був другом Декарта, і декартівська філософія (картезіанство) вплинула не тільки на батька, а й на самого Християна Гюйгенса.

Молодий Гюйгенс вивчав право та математику в Лейденському університеті, потім вирішив присвятити себе науці. У 1651 році опублікував «Міркування про квадратур гіперболи, еліпса та кола». Разом із братом він удосконалив телескоп, довівши його до 92-кратного збільшення, і зайнявся вивченням неба. Перша популярність прийшла до Гюйгенса, коли він відкрив кільця Сатурна (Галілей їх теж бачив, але не зміг зрозуміти, що це таке) та супутник цієї планети, Титан.

У 1657 році Гюйгенсотримав голландський патент на конструкцію маятникового годинника. В останні роки життя цей механізм намагався створити Галілей, але йому завадила прогресуюча сліпота. Годинник Гюйгенса реально працював і забезпечував чудову для того часу точність ходу. Центральним елементом конструкції був придуманий Гюйгенсом якір, який періодично підштовхував маятник і підтримував коливання. Сконструйований Гюйгенсом точний і недорогий годинник з маятником швидко набув широкого поширення по всьому світу. У 1673 році під назвою «Маятниковий годинник» вийшов надзвичайно змістовний трактат Гюйгенса з кінематики прискореного руху. Ця книга була настільною у Ньютона, який завершив розпочату Галілеєм і продовжену Гюйгенсом побудову фундаменту механіки.

У 1661 році Гюйгенс здійснив поїздку до Англії. У 1665 на запрошення Кольбера оселився в Парижі, де в 1666 була створена Паризька Академія наук. На пропозицію того ж Кольбера Гюйгенс став її першим президентом і керував Академією 15 років. В 1681, у зв'язку з наміченою скасуванням Нантського едикту, Гюйгенс, не бажаючи переходити в католицизм, повернувся до Голландії, де продовжив свої наукові дослідження. На початку 1690-х років здоров'я вченого стало погіршуватися, він помер 1695 року. Останньою працею Гюйгенса став «Космотеорос», у ньому він аргументував можливість життя інших планетах.

Наукова діяльність

Лагранж писав, що Гюйгенсу «судилося вдосконалити і розвинути найважливіші відкриття Галілея».

Математика

Наукову діяльність Християн Гюйгенс розпочав у 1651 році твором про квадратур гіперболи, еліпса та кола. У 1654 року він розробив загальну теорію еволют і евольвент, досліджував циклоїду і ланцюгову лінію, просунув теорію безперервних дробів.

У 1657 році Гюйгенс написав додаток "Про розрахунки в азартній грі" до книги його вчителя ван Схоотена "Математичні етюди". Це був перший виклад почав теорії ймовірностей, що зароджується тоді. Гюйгенс, поруч із Ферма і Паскалем, заклав її основи, ввів фундаментальне поняття математичного очікування. За цією книгою знайомився з теорією ймовірностей Якоб Бернуллі, який завершив створення основ теорії.

Механіка

У 1657 році Гюйгенс видав опис пристрою винайденого ним годинника з маятником. В той час вченіне мали таким необхідним для експериментів приладом, як точний годинник. Галілей, наприклад, щодо законів падіння вважав удари власного пульсу. Годинник з колесами, що приводилися в рух гирями, був у вжитку з давніх-давен, але точність їх була незадовільна. Маятник же з часів Галілея вживали окремо для точного виміру невеликих проміжків часу, причому доводилося вести рахунок коливань. Годинник Гюйгенса мав гарну точність, і вчений далі неодноразово, протягом майже 40 років, звертався до свого винаходу, удосконалюючи його та вивчаючи властивості маятника. Гюйгенс мав намір застосувати маятниковий годинник для вирішення завдання визначення довготи на морі, але істотного просування не досяг. Надійний та точний морський хронометр з'явився лише у 1735 році (у Великій Британії).

У 1673 році Гюйгенс опублікував класичну працю з механіки "Маятниковий годинник" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica"). Скромна назва не повинна вводити в оману. Крім теорії годинників, твір містив безліч першокласних відкриттів у галузі аналізу та теоретичної механіки. Гюйгенс також проводить там квадратуру низки поверхонь обертання. Це та інші його твори мали великий вплив на молодого Ньютона.

У першій частині праці Гюйгенс описує вдосконалений, циклоїдальний маятник, який має постійний час гойдання незалежно від амплітуди. Для пояснення цієї властивості автор присвячує другу частину книги висновку загальних законів руху тіл у полі тяжкості - вільних, що рухаються по похилій площині, що скочуються циклоїдом. Треба сказати, що це удосконалення не знайшло практичного застосування, оскільки за малих коливань підвищення точності від циклоїдального приросту ваги незначне. Проте сама методика дослідження увійшла до золотого фонду науки.

Гюйгенс виводить закони рівноприскореного руху вільно падаючих тіл, ґрунтуючись на припущенні, що дія, що повідомляється тілу постійною силою, не залежить від величини та напряму початкової швидкості. Виводячи залежність між висотою падіння і квадратом часу, Гюйгенс зауважує, що висоти падінь відносяться як квадрати придбаних швидкостей. Далі, розглядаючи вільний рух тіла, кинутого вгору, він знаходить, що тіло піднімається на найбільшу висоту, втративши всю повідомлену йому швидкість, і набуває її знову при поверненні назад.

Галілей допускав без доказу, що при падінні по різним похилим прямим з однакової висоти тіла набувають рівних швидкостей. Гюйгенс доводить це так. Дві прямі різного способу та рівної висоти приставляються нижніми кінцями одна до одної. Якщо тіло, спущене з верхнього кінця однієї з них, набуває більшої швидкості, ніж пущене з верхнього кінця іншого, то можна пустити його по першій з такої точки нижче верхнього кінця, щоб придбана внизу швидкість була достатня для підйому тіла до верхнього кінця другої прямої; але тоді вийшло б, що тіло піднялося на висоту, більшу за ту, з якої впало, а цього бути не може. Від руху тіла по похилій прямій Гюйгенс переходить до руху по ламаній лінії і далі до руху по будь-якій кривій, причому доводить, що швидкість, що придбана при падінні з якої-небудь висоти по кривій, дорівнює швидкості, придбаної при вільному падінні з тією ж висоти по вертикальній лінії, і що така ж швидкість необхідна для підйому того ж тіла на ту ж висоту як вертикальної прямої, так і кривої. Потім, переходячи до циклоїди і розглянувши деякі її геометричні властивості, автор доводить таутохронність рухів важкої точки по циклоїді.

У третій частині твору викладається теорія еволют і евольвент, відкрита автором ще 1654 року; тут він знаходить вигляд та положення еволюти циклоїди. У четвертій частині викладається теорія фізичного маятника; тут Гюйгенс вирішує те завдання, яке давалося стільки сучасним йому геометрам, - завдання визначення центру коливань. Він ґрунтується на наступній пропозиції:

Якщо складний маятник, вийшовши зі спокою, здійснив деяку частину свого хитання, велику напіврозмаху, і якщо зв'язок між усіма його частинками буде знищено, то кожна з цих частинок підніметься на таку висоту, що загальний центр тяжкості їх буде при цьому на тій висоті, на якої він був при виході маятника зі спокою. Ця пропозиція, не доведена у Гюйгенса, є в нього як основний початок, тим часом як тепер вона представляє простий наслідок закону збереження енергії.

Теорія фізичного маятника дана Гюйгенсом цілком у загальному вигляді та у застосуванні до тіл різного роду. Гюйгенс виправив помилку Галілея і показав, що проголошена останнім ізохронність коливань маятника має місце лише приблизно. Він відзначив ще дві помилки Галілея в кінематиці: рівномірний рух по колу пов'язаний з прискоренням (Галілей це заперечував), а відцентрова сила пропорційна не швидкості, а квадрату швидкості.

В останній, п'ятій частині свого твору Гюйгенс дає тринадцять теорем про відцентрову силу. Цей розділ дає вперше точне кількісне вираз для відцентрової сили, яке згодом відіграло важливу роль для дослідження руху планет та відкриття закону всесвітнього тяжіння. Гюйгенс наводить у ній (словесно) кілька фундаментальних формул:

Астрономія

Гюйгенс самостійно удосконалив телескоп; в 1655 він відкрив супутник Сатурна Титан і описав кільця Сатурна. 1659-го він описав усю систему Сатурна у виданому ним творі.

У 1672 він виявив крижану шапку на Південному полюсі Марса. Він відкрив також туманність Оріона та інші туманності, спостерігав подвійні зірки, оцінив (досить точно) період обертання Марса навколо осі.

Остання книга "ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae" (латинською мовою; опублікована посмертно в Гаазі в 1698 році) - філософсько-астрономічний роздум про Всесвіт. Вважав, інші планети також населені людьми. Книга Гюйгенса набула найширшого поширення в Європі, де була перекладена англійською (1698), голландською (1699), французькою (1702), німецькою (1703), російською (1717) і шведською (1774) мовами. Російською мовою за указом Петра I було перекладено Яковом Брюсом під назвою «Книга світогляду». Вважається першою у Росії книгою, де викладається геліоцентрична система Коперника.

У цьому праці Гюйгенс зробив першу (поряд із Джеймсом Грегорі) спробу визначити відстань до зірок. Якщо припустити, що всі зірки, включаючи Сонце, мають близьку світність, то, порівнюючи їх видиму яскравість, можна грубо оцінити відношення відстаней до них (відстань до Сонця тоді була відома з достатньою точністю). Для Сіріуса Гюйгенс отримав відстань у 28000 астрономічних одиниць, що приблизно в 20 разів менше від справжнього (опубліковано посмертно, в 1698 році).

Оптика та теорія хвиль

Гюйгенс брав участь у сучасних йому суперечках про природу світла. У 1678 році він випустив «Трактат про світло» - нарис хвильової теорії світла. Інше чудове твір він видав 1690 року; там він виклав якісну теорію відображення, заломлення та подвійного променезаломлення в ісландському шпаті в тому самому вигляді, як вона викладається тепер у підручниках фізики. Сформулював «принцип Гюйгенса», що дозволяє досліджувати рух хвильового фронту, згодом розвинений Френелем і зіграв важливу роль хвильової теорії світла. Відкрив поляризацію світла (1678).

Йому належить оригінальне вдосконалення телескопа, використаного ним в астрономічних спостереженнях і згаданого в параграфі про астрономію, він винайшов «окуляр Гюйгенса», що складається з двох плоскопуклих лінз (використовується і в наші дні). Також він є винахідником діаскопічного проектора – т.з. "чарівного ліхтаря".

Інші досягнення

Гюйгенс обґрунтував (теоретично) сплюснутість Землі біля полюсів, а також пояснив вплив відцентрової сили на напрям сили тяжіння і на довжину секундного маятника на різних широтах. Він дав вирішення питання про зіткнення пружних тіл, одночасно з Валлісом і Реном (опубліковано посмертно) і одне з вирішення питання про вид важкого однорідного ланцюга, що знаходиться в рівновазі (ланцюгова лінія).

Йому належить винахід годинникової спіралі, що замінює маятник, украй важливий для навігації; перший годинник зі спіраллю був сконструйований у Парижі годинниковим майстром Тюре в 1674 році. 1675 року запатентував кишеньковий годинник.

Гюйгенс першим закликав вибрати всесвітню натуральну міру довжини, якою запропонував 1/3 довжини маятника з періодом коливань 1 секунда (це приблизно 8 см).

Основні праці

Horologium oscillatorium, 1673 (Маятниковий годинник, латинською).
Kosmotheeoros. (Англійський переклад видання 1698) - астрономічні відкриття Гюйгенса, гіпотези про інші планети.
Treatise on Light (Трактат про світло, англійський переклад).

Голландський фізик, механік, математик та астроном, Християн Гюйгенс, був безпосереднім наступником Галілея у науці. Лагранж говорив, що Гюйгенсу «судилося вдосконалити і розвинути найважливіші відкриття Галілея». Вперше Гюйгенс зіткнувся з ідеями Галілея в 17 років: він збирався довести, що тіла, кинуті горизонтально, рухаються параболою, і виявив такий доказ у книзі Галілея.

Батько Гюйгенса походив з голландського дворянського роду і отримав чудову освіту: він знав мови та літературу багатьох народів та епох, сам писав поетичні твори латиною та нідерландською. Він був також знавцем музики та живопису, тонкою та дотепною людиною. Його цікавили досягнення науки в галузі математики, механіки та оптики. Неординарність його особистості підтверджує те, що серед його друзів було багато відомих людей, у тому числі знаменитий Рене Декарт, видатний французький учений.

Вплив Декарта сильно позначилося формуванні світогляду його сина, майбутнього великого вченого.

Дитинство і юність.

У вісім років Християн вивчив латину, знав чотири дії арифметики, а в дев'ять років він познайомився з географією та початками астрономії, умів визначати час сходу та заходу Сонця за всі пори року. Коли Християнові минуло десять років, він навчився складати вірші латиною і грати на скрипці, об одинадцятій познайомився з грою на лютні, а о дванадцятій знав основні правила логіки.

Після вивчення грецької, французької та італійської мов, а також гри на клавесині, Християн перейшов до механіки, яка захопила його цілком. Він конструює різні машини, наприклад, самостійно виготовляє токарний верстат. У 1643 році вчитель Християна повідомляє батькові: «Християна треба назвати дивом серед хлопчиків… Він розгортає свої здібності у галузі механіки та конструкцій, робить машини дивовижні…».

Далі Християн навчається математики, верхової їзди та танців. Зберігся рукописний математичний курс для Християна, складений відомим математиком, другом Декарта, Франциском Схоутеном. В курсі викладалися початки алгебри та геометрії, невизначені рівняння з «Арифметики» Діофанта, ірраціональні числа, вилучення квадратного та кубічного коренів, а також теорія рівнянь алгебри вищих ступенів. Переписано книгу Декарта «Геометрія». Потім дано додатки алгебри до геометрії та рівняння геометричних місць. Нарешті, розглянуто конічні перерізи та дано завдання на побудову дотичних до різних кривих методів Декарта та Ферма.

У шістнадцять років Християн разом із братом вступає до Лейденського університету для вивчення права і одночасно навчається математики у Схоутена, який відсилає на відкликання Декарту його перші математичні роботи. Декарт похвально відгукується на «математичні винаходи» Християна: «Хоча він і не цілком отримав те, що йому потрібно, але це аж ніяк не дивно, оскільки він спробував знайти речі, які ще нікому не вдавалися. Він взявся за цю справу таким чином, що я впевнений у тому, що він стане видатним ученим у цій галузі».

У цей час Християн вивчає Архімеда, «Конічні перерізи» Аполлонія, оптику Вітелло та Кеплера, «Діоптрику» Декарта, астрономію Птолемея та Коперника, механіку Стевіна. Знайомлячись з останньою, Гюйгенс доводить, що твердження про те, що фігура рівноваги нитки вільно підвішеної між двома точками буде параболою, невірно. Нині відомо, що нитка розташується так званої ланцюгової лінії.

Християн листувався з Марином Мерсенном, францисканським ченцем, видавцем французького перекладу «Механіки» Галілея та короткого викладу його «Діалогів…». Мерсенн жваво цікавився науковими досягненнями свого часу і в листах повідомляв про новітні відкриття та найцікавіші завдання математики та механіки. У ті часи подібне листування замінювало відсутні наукові журнали.

Мерсен присилав Християну цікаві завдання. З його листів той познайомився з циклоїдою та центром хитання фізичного маятника. Дізнавшись про критику Гюйгенсом параболічної форми нитки, Мерсенн повідомив, що така ж помилка була зроблена і самим Галілеєм, і попросив надіслати повний доказ.

Закінчуючи звіт Мерсенну про свої роботи, він писав: «Я вирішив спробувати довести, що важкі тіла, кинуті вгору чи вбік, описують параболу, але тим часом мені потрапила до рук книга Галілея про прискорений рух природний чи насильницький; коли я побачив, що він довів і це, і багато іншого, то я вже не захотів писати Іліаду після Гомера».

Гюйгенс та Архімед.

Після Лейдена Християн із молодшим братом Лодевіком їде вчитися в «Оранській колегії». Батько, мабуть, готував Християна до державної діяльності, але це Християна не спокушало.

У дусі Архімеда двадцятитрирічний Християн написав книгу про теорію плавання тіл: "Про рівновагу тіл, що плавають у рідині". Пізніше, в 1654 році, з'явився ще один твір на кшталт Архімеда «Відкриття величину кола», яке представляло прогрес проти архимедовым «Вимірювання кола». Гюйгенс отримав значення числа "пі" з вісьмома вірними знаками після коми. Сюди ж можна віднести роботу «Теореми про квадратур гіперболи, еліпса і кола та центру тяжкості їх частин».

Написаний в 1657 трактат «Про розрахунки при азартній грі» є однією з перших відомих робіт з теорії ймовірності.

Гюйгенс та оптика.

Ще 1652 року Гюйгенс зацікавився темою, яку розробляв Декарт. Це була діоптрика – вчення про заломлення світла. Своєму знайомому він пише: «Я вже маю майже написані дві книги про цей предмет, до яких додається і третя: перша говорить про заломлення в плоских і сферичних поверхнях ... друга про видиме збільшення або зменшення зображень предметів, що виходять за допомогою заломлення». Третя книга, в якій передбачалося говорити про телескопи та мікроскопи, була написана трохи пізніше. Над «Діоптрикою» Гюйгенс працював із перервами близько 40 років (з 1652 по 1692 рік).

Окремі розділи першої частини "Діоптрики" присвячені заломленню світла в плоских та сферичних поверхнях; автор дає експериментальне визначення показника заломлення різних прозорих тіл та розглядає завдання заломлення світла у призмах та лінзах. Потім він визначає фокусну відстань лінз та досліджує зв'язок між положенням предмета на оптичній осі лінзи та положенням його зображення, тобто отримує вираз основної формули лінзи. Закінчується перша частина книги розглядом будови ока та теорією зору.

У другій частині книги Гюйгенс говорить про оборотність оптичної системи.

У третій частині книги автор приділяє велику увагу сферичній аберації (спотворенню) лінз та методам її виправлення. Для окремих випадків він знаходить форму заломлюючих поверхонь лінз, не дають сферичної аберації. З метою зменшення аберацій телескопа Християн пропонує конструкцію «повітряного телескопа», де об'єктив та окуляр не пов'язані між собою. Довжина «повітряного телескопа» Гюйгенса становила 64 м. За допомогою цього телескопа він виявив у Сатурна супутник, Титан, а також спостерігав чотири супутники Юпітера, відкриті раніше Галілеєм.

Гюйгенс за допомогою своїх телескопів зумів пояснити також дивний вигляд Сатурна, який бентежив астрономів, починаючи з Галілея, - він встановив, що тіло планети оточене кільцем.

У 1662 році Гюйгенс також запропонував нову оптичну систему окуляра, яка згодом була названа його ім'ям. Цей окуляр складався із двох позитивних лінз, розділених великим повітряним проміжком. Такий окуляр за схемою Гюйгенса широко застосовується оптиками й у наші дні.

У 1672-1673 роках Гюйгенс знайомиться з гіпотезою Ньютона склад білого світла. Приблизно в цей же час у нього формується ідея хвильової теорії світла, яка знаходить своє вираження у знаменитому «Трактаті про світло», що побачив світ 1690 року.

Гюйгенс та механіка.

Гюйгенса слід поставити на початку довгого ряду дослідників, які брали участь у встановленні загального закону збереження енергії.

Гюйгенс пропонує спосіб визначення швидкостей тіл після їх зіткнення. Основний текст його трактату «Теорія удару твердих тіл» було закінчено 1652 року, але властиве Гюйгенсу критичне ставлення до своїх праць призвело до того, що трактат вийшов лише після смерті Гюйгенса. Правда, будучи в Англії в 1661, він демонстрував досліди, що підтверджують його теорію удару. Секретар Лондонського Королівського товариства писав: «Було підвішено кулю вагою один фунт у вигляді маятника; коли він був відпущений, то по ньому вдарила інша куля, підвішена так само, але тільки вагою в півфунта; кут відхилення був сорок градусів, і Гюйгенс після невеликого алгебраїчного обчислення передбачив, який буде результат, який виявився точно відповідним передбаченню».

Гюйгенс і годинник.

На період із грудня 1655 року до жовтня 1660 року припадає найбільший розквіт наукової діяльності Гюйгенса. У цей час, крім завершення теорії кільця Сатурна та теорії удару, було виконано майже всі основні роботи Гюйгенса, які принесли йому славу.

Гюйгенс у багатьох питаннях успадкував і вдосконалював розв'язання проблем Галілея. Наприклад, він звернувся до дослідження ізохронного характеру коливань математичного маятника (властивість коливань, що виявляється в тому, що частота малих коливань практично не залежить від їхньої амплітуди). Ймовірно, свого часу це було першим відкриттям Галілея у механіці. Гюйгенсу представилася можливість доповнити Галілея: ізохронність математичного маятника (тобто незалежність періоду коливань маятника певної довжини від амплітуди розмаху) виявилася справедливою лише наближено й то малих кутів відхилення маятника. І Гюйгенс здійснив ідею, яка займала Галілея в його останні роки життя: він сконструював маятниковий годинник.

Завданням про створення та вдосконалення годинників, насамперед маятникових, Гюйгенс займався майже сорок років: з 1656 по 1693 рік.

Один з основних мемуарів Гюйгенса, присвячених розгляду результатів з математики та механіки, вийшов у 1673 році під назвою «Маятниковий годинник або геометричні докази, що стосуються руху маятників, пристосованих до годинника». Намагаючись вирішити одне з основних завдань свого життя - створити годинник, який можна було б використовувати як морський хронометр, Гюйгенс вигадав безліч рішень і продумав багато проблем, досліджуючи можливості їх застосування до цього завдання: циклоїдальний маятник, теорія розгортки кривих, відцентрові сили та їх роль та ін. Одночасно він вирішував виникаючі математичні та механічні завдання. Чому ж завдання створення годинника так приваблювало відомого вченого?

Годинник відноситься до дуже древніх винаходів людини. Спочатку це був сонячний, водяний, пісочний годинник; в епоху Середньовіччя з'явився механічний годинник. Довгий час вони були громіздкими. Існувало кілька способів перетворення прискореного падіння вантажу в рівномірний рух стрілок, але навіть відомий своєю точністю астрономічний годинник Тихо Браге щодня «підганявся» примусово.

Саме Галілей першим виявив, що коливання маятника ізохронні і збирався використовувати маятник під час створення годинника. Влітку 1636 він писав голландському адміралу Л. Реалю про з'єднання маятника з лічильником коливань (це по суті і є проект маятникових годин!). Однак через хворобу та швидку смерть Галілей не закінчив роботу.

Нелегкий шлях від лабораторних експериментів до створення маятникового годинника подолав у 1657 році Християн Гюйгенс, на той час уже відомий вчений. 12 січня 1657 року він писав:

«Цими днями я знайшов нову конструкцію годинника, за допомогою якої час вимірюється так точно, що з'являється чимала надія на можливість вимірювання за її допомогою довготи, навіть якщо доведеться везти їх морем».

З цього моменту і до 1693 він прагне вдосконалювати годинник. І якщо на початку Гюйгенс виявив себе як інженер, який використовує у відомому механізмі ізохронну властивість маятника, то поступово дедалі більше виявлялися його можливості фізика та математика.

Серед інженерних його знахідок була низка воістину видатних. У годиннику Гюйгенса вперше була реалізована ідея автоколивань, заснована на зворотному зв'язку: енергія повідомлялася маятнику так, що «саме джерело коливань визначало моменти часу, коли потрібна доставка енергії». У Гюйгенса цю роль виконував простий пристрій у вигляді якоря з косо зрізаними зубцями, що ритмічно підштовхує маятник.

Гюйгенс виявив, що коливання маятника ізохронні лише при малих кутах відхилення від вертикалі, і вирішив з метою компенсації відхилень зменшувати довжину маятника зі збільшенням кута відхилення. Гюйгенс здогадався, як це продати технічно.

Хвильова теорія світла.

У сімдесяті роки основну увагу Гюйгенса привертають світлові явища. У 1676 році він приїжджає до Голландії та знайомиться з одним із творців мікроскопії Антоні ван Левенгуком, після чого намагається сам виготовити мікроскоп.

У 1678 році Гюйгенс приїжджає до Парижа, де його мікроскопи справили приголомшливе враження. Він демонстрував їх на засіданні Паризької Академії.

Християн Гюйгенс став творцем хвильової теорії світла, основні положення якої увійшли до сучасної фізики. Свої погляди він виклав у «Трактаті про світло», виданому 1690 року. Гюйгенс вважав, що корпускулярна теорія світла, або теорія закінчення, суперечить властивостям світлових променів не заважати один одному при перетині. Він думав, що Всесвіт заповнений найтоншою, й у найвищої ступеня, рухомою пружною середовищем - світовим ефіром. Якщо у якомусь місці ефіру частка почне вагатися, то коливання передається всім сусіднім часткам, і у просторі пробігає ефірна хвиля від першої частки як центру.

Хвильові уявлення дозволили Гюйгенсу теоретично сформулювати закони відображення та заломлення світла. Він дав наочну модель поширення світла у кристалах.

Хвильова теорія пояснювала явища геометричної оптики, але оскільки Гюйгенс порівнював світлові і звукові хвилі і вважав, що вони є поздовжніми і поширюються у вигляді імпульсів, він не зміг пояснити явища інтерференції та дифракції світла, які залежать від періодичності світлових хвиль. Взагалі Гюйгенс набагато більше цікавився хвилями як поширенням коливань у прозорому середовищі, ніж механізмом самих коливань, який був йому зрозумілий.

Розповіді про вчених із фізики. 2014

Перший механічний годинник, винайдений китайцями, приводився в дію величезними дерев'яними водяними колесами, що повільно поверталися. У 1300-х роках. з'явився колісний годинник з приводом від гир, що опускався, але цей годинник був ненадійним і неточним. Годинник був потрібний механізм регулювання ходу, який винайшли в 1600-х рр. Таким механізмом став мятник, який знайшов у годиннику перше практичне застосування.

У 1582 р. італійський вчений Галілео Галілей продемонстрував, що маятник - вантаж, підвішений на тонкому стрижні - завжди гойдається з постійною швидкістю. Крім того, він довів, що швидкість коливань залежить тільки від довжини маятника, а не від величини вантажу, прикріпленого до кінця. Наприклад, маятник довжиною 1 м робить одне коливання (туди і назад) за 1 сік. Але якщо маятник такої довжини продовжує хитатися, значить, за його допомогою можна вимірювати час у секундах. У Галілея виникла ця ідея, і в 1641 р. - за рік до смерті - він розповів своєму синові Вінченцо, як зробити годинник, хід якого регулюється маятником. Але Вінченцо не встиг закінчити роботу; перший маятниковий годинник з'явився лише в 1657 р. Їх спроектував голландський учений Християн Гюйгенс, а виготовив годинникар Соломон Костер в Гаазі. Вони відставали або тікали на 5 секунд на добу, що значно перевищувало точність усіх тодішніх годинників.

У вартових маятниках використовувалися не нитки, а металеві стрижні. Але на метал впливає температура, тому довжина стрижнів змінювалася, що позначалося на точності ходу годинника. У спеку металевий стрижень подовжувався, а в холодну коротшав. Наприклад, годинник з односекундним маятником для втрати однієї секунди на добу достатньо збільшення довжини маятника на 0,025 мм, що відбувається при підвищенні температури всього на 2” С. Винахідники невдовзі вирішили цю проблему, створивши маятник постійної довжини. винайшов ртутний маятник (про що заявив у 1726 р.), прикріпивши до кінця маятника скляну посудину з ртуттю.Коли через підвищення температури маятник подовжувався вниз, це компенсувалося розширенням ртуті в посудині, що діяла у зворотному напрямку.

Іншим рішенням став гратчастий маятник з переміжних смуг сталі та міді, винайдений англійським годинникарем Джоном Гаррісоіом в 1728 р. Мідь розширюється сильніше, ніж сталь, тому її розширення компенсувалося меншим розширенням сталі. Наразі стрижні маятників виготовляються з інвару – сплаву заліза з нікелем, який майже не розширюється при нагріванні. Цей сплав також використовують для виготовлення рулеток та камертонів, для яких постійна довжина є дуже важливою.

Учень Галілея італійський учений Вінченцо Вівіані зробив цей малюнок маятникового годинника; реконструкцію маятника див. на рис. на с. 13.

Ця модель маятникового годинника була створена в XIX ст. за начерком проекту Галілея, зробленим Вівіані. Джерело енергії для годинника там вказано не було, тому можна припустити, що вони приводилися в рух гирями, що опускаються.

У механічному годиннику швидкість, з якої вивільняється енергія вантажу, що опускається, регулюється за допомогою механізму, званого спуском. Молоточок, підвішений на маятнику, змушує гойдатися анкер. Анкер то зупиняє, то відпускає анкерне колесо, дозволяючи йому поступово звільняти енергію вантажу, що опускається, що приводить в рух головне колесо. До осі головного колеса прикріплено годинникову стрілку.

Вівіані, який свято шанував пам'ять вчителя, був глибоко вражений, коли через 16 років після смерті Галілея йому потрапила в руки невелика книжка, видана в Голландії: «Трактат про годинник». Її автор Гюйгенс називав винахідником маятникового годинника не Галілея, а себе. Він писав, що в 1657 р. замовив у Гаазі майстру Соломона Костер механізм і поступився йому привілей, виданий на цей винахід Генеральними штатами Нідерландів. Вівіані написав спростовуючий памфлет, а принц Леопольд Медічі, до якого він звернувся, взяв на себе роль посередника у цій делікатній справі.

Коли Гюйгенс отримав листа принца, він пролунав для нього громом з ясного неба. Його звинувачували у плагіаті! Як довести, що він навіть не підозрював про намір глибоко шанованого ним Галілея побудувати такий годинник? А лист прямо ставить крапки над i: таємно зумів, мовляв, ознайомитися з секретним листуванням Галілея з Генеральними штатами, використовував його креслення. Додано копії малюнків Галілея – дивись, зрівнюй...

Гюйгенс, на щастя, був відомий. Математик, астроном, оптик, у свої 29 років він уже визнаний вченим світом Голландії, Франції, Англії. Його допустили до секретних архівів Нідерландів, прочитали листування з Галілеєм. Виявляється, в ній йдеться не про годинник, а про відкритий італійський вчений спосіб визначення довготи по супутниках Юпітера, добре видно в галілеївський телескоп.

Друга, не менш важлива обставина: механізм Галілея зовсім не схожий на механізм, винайдений Гюйгенсом.

Все це молодий голландець виклав у ввічливій відповіді принцу Медічі. В кінці приписав, що вважає для себе великою честю вирішити завдання створення маятникового годинника, з яким не впорався великий Галілей, але беззастережно визнає першість Галілея у відкритті властивостей маятника. (Напевно, всі учасники суперечки були б вражені, дізнайся вони, що за 200 років до Гюйгенса і Галілея маятниковий годинник винайшов Леонардо да Вінчі. Але папери Леонардо були виявлені лише через ще три століття.)

Довівши неспроможність звинувачень, Гюйгенс видав 1673 р. друге видання «Трактату про годинник», але не короткий опис механізму, а глибокий аналіз проблеми. У п'яти частинах, що складали книгу, лише перша була присвячена власне годинникам. Далі досліджувався маятник - і ідеальний, математичний, і реальний, фізичний, робота якого виявилася, як завжди це буває, набагато складнішою для розуміння, ніж принципи дії ідеалу. Гюйгенс зв'язав довжину фізичного маятника та період його коливань із силою тяжіння (цієї формули не зміг вивести Галілей) та вирахував знамениту g– постійну сили тяжіння, причому з дуже високою на той час точністю. Словом, пише відомий радянський історик техніки Н.І. Ідельсон, книга «увійшла в історію науки як приклад злиття технічної, конструктивної проблематики з новою теоретичною базою для її повного вирішення».

І ще про одне надзвичайно важливе питання йшлося у книзі Гюйгенса. Математично доводилося, що, всупереч Галілею, період коливань маятника залежить від амплітуди розмаху. Різницю не можна помітити, користуючись для вимірів власним пульсом, – не дивно, що Галілей про нерівномірність цієї не знав.

На практиці це означало знову те саме: годинник буде брехати. Недосконалість колії призведе до того, що сила, що штовхає маятник, постійно змінюватиметься. Амплітуда коливань і період виявляться змінними, а секунди, що відраховуються маятником, – різними. Звичайно, помилки можна знизити, зменшивши амплітуду, але вони принципово непереборні.

Що ж робити? У «Трактаті» наводився опис не лише хвороби, а й ліків. Виправити маятник можна, змусивши хитатися його вантаж по дузі не кола, а циклоїди (по цій хвилеподібній кривій рухаються точки колеса, що котиться рівною дорогою). Гюйгенс запропонував робити стрижень маятника гнучким і затискати в точці підвісу між двома щічками, що розходяться, кожна з яких вигнута по циклоїді. Тоді, доводив Гюйгенс, стрижень, що згинається, змусить сочевицю маятника рухатися теж по циклоїді.

На жаль, винахід не витримав перевірки практикою. Тертя стрижня про щічки впливало на період значніше, ніж змінність розмаху. Хорошим годинникам циклоїдальний маятник точності не додавав, а поганим просто був не потрібен. Після кількох невдалих спроб Гюйгенс сам відмовився. Описувати правильну циклоїду без усіляких щічок маятник навчився лише через триста років завдяки винаходу радянського годинникара Ф.М. Федченка, про роботи якого ми ще говоритимемо.

Але й у найпростішому вигляді маятник як регулятор ходу був все-таки чудовою знахідкою. Помилка показань годинника відразу зменшилася в 15...20 разів, на годинникарів перестали скаржитися. Точність вимірювалася вже не чвертю години, а хвилинами і навіть кількома десятками секунд на добу. Колосальну роль у швидкому поширенні нововведення відіграла «технологічна придатність» винаходу. На відміну від маятникового ходу Галілея хід Гюйгенса не вимагав майже ніяких переробок механізму: треба було лише викинути більця і ​​поставити на його місце пару додаткових коліс та влаштувати маятниковий підвіс. І те й інше було під силу годинникареві середньої кваліфікації. Налагоджувати годинник після доопрацювання не було потреби: вони починали йти одразу. Новинка швидко поширилася Європою. Не оминула вона і Росію.

Наприкінці XVII в. наука в Європі остаточно пориває зі схоластикою Аристотеля і починається для неї новий час — час довіри до досвіду. Найважливіша роль цьому повороті належить Галілео Галілею (1564—1642). Але з усіх його численних досліджень ми зупинимося тільки на тих, де основну роль грали спостереження звичайнісіньких явищ, що ігноруються безліччю людей до нього. Якось, коли 19-річний Галілей сидів у соборі в Пізі під час довгої проповіді, служка, що запалював свічки, ніяково штовхнув світильник, що звисав на довгому канаті, і той почав розгойдуватися. Галілей засік, скільки ударів його пульсу відповідає одне повне коливання світильника, але через деякий час, коли розмах коливань помітно зменшився, він з подивом зазначив, що число ударів пульсу залишилося незмінним. Звідси випливала ізохронність, тобто незалежність періоду коливань маятника від амплітуди!

Далі він помічає, що це світильники з однаковою довжиною підвісу, і навіть різної маси, роблять коливання з однаковою частотою, т. е. період їх коливань залежить лише від довжини підвісу і залежить від маси і форми світильника. Таким чином у фізиків з'явився прилад, що дозволяв легко вимірювати час (до того користувалися пісочним або водяним годинником, у всіх вони були різними, що не дозволяло порівнювати результати різних спостережень).

Оскільки Галілея призначили професором математики в Пізі, він, згідно з легендою, отримав можливість проводити експерименти на знаменитій падаючій вежі. Тут він помічає, що, скажімо, цегла і зв'язка такої ж цеглини падають вниз за однаковий час. Висновок: швидкість падіння не залежить або майже не залежить від маси, деяка різниця виникає через опір повітря, але це було зрозуміло пізніше. (Швидше за все — це лише легенда: Галілею простіше було вивчати закони падіння, пускаючи кулі різної маси по похилій площині — процес розтягується в часі і зменшується опір повітря. Кидати цеглу з вежі могло бути потрібно лише як ефектна демонстрація, яку любили в дотелевізійний час. ) На основі своїх дослідів Галілей зміг визначити поняття прискорення, що залишилося незмінним до наших днів. Але ці досліди призвели до того, що його, як противника Аристотеля, вигнали з Пізи, проте він продовжив їх в іншому місці: вежа для дослідження вже не була потрібна, досить похилої площині. До речі, час руху кулі по всій площині, її половині і т.д. він вимірював ще за обсягом води, що виливається з вузької щілини в посудині. Галілей на цьому, звичайно, не зупиняється: треба вивчити рух тіла, кинутого горизонтально. Тут йому вдається узагальнити спостереження Тартальї, вивести правило додавання швидкостей і показати, що траєкторія такого тіла є напівпараболою.

З дослідів Галілея цікаво описати ще один, у якому вперше за майже дві тисячі років була перевірена і доведена теорія плавання тіл Архімеда (сумнів у ній викликався тим, що крижини плавають поверхнею води, а в той час, слідуючи Аристотелю, приймали, що будь-яке речовина повинна затвердітися ущільнюватися). Досвід був такий: кулька з воску, як легко перевірити, у чистій воді тоне, але, додаючи у воду сіль, можна домогтися того, що кулька спливе, а додавши воду, можна змусити її знову опуститися. Таким чином, показано, що умови плавання (суцільних) тіл визначаються співвідношенням їх щільностей з щільністю рідини.

Трохи раніше, і мабуть одночасно, кілька оптиків (грецьке «оптикос» — зоровий) почали споруджувати зорові трубки з двома лінзами, які переважно використовувалися як іграшки: люди піднімалися на дзвіницю і розглядали околиці (обурення у багатьох викликалося тим, що так можна було заглядати в чужі вікна), уряди намагалися засекретити ці прилади, щоб використовувати для військових цілей. Галілей першим здогадався подивитися в таку трубку на небо, і відкриття посипалися лавиною: гори на Місяці, супутники Юпітера, пізніше — кільця Сатурна, тож астрономія була докорінно перетворена. За деякими відомостями, він намагався побудувати перший мікроскоп, про інші його винаходи скажемо нижче. Галілею доводилося, звісно, ​​самому будувати свої прилади.

Описати чи навіть перерахувати всі досягнення Галілея у фізиці та астрономії неможливо. Але головне в іншому: очевидно, що порошинки падають повільніше каменю, а Галілей показує, що не можна сліпо довіряти очевидності. Ось у цьому принципі, у тому, що саме Галілей першим показав і довів необхідність досвідченої перевірки всіх побудов у фізиці і, водночас, їх детального математичного опису, — його неминуча заслуга, і саме його можна вважати зачинателем сучасної досвідченої науки.

У 1633 р. Галілей, як відомо, був засуджений церквою і оголошений «в'язнем святої інквізиції» за твердження про те, що геліоцентрична модель Коперника не суперечить Святому Письму (зауважимо, що до Галілея всі наукові твори писалися мало доступною латиною, а він перейшов італійською мовою). Лише через 350 років, 1984 р., Ватикан з ініціативи папи Івана-Павла II, переглянувши «справу» Галілея, визнав, що ця модель «не суперечить» Біблії та вченого було «реабілітовано»!

Тепер потрібно перейти до самого, можливо, великого вченого тієї епохи Йоганна Кеплера (1571 - 1630). Для того щоб зрозуміти його роль у розвитку науки, потрібно нагадати загальноприйняту тоді думку, що природа і все, що в ній відбувається, відображають божественну волю, і тому питання про причини явища просто недоречне і не гідне істинно віруючого. Кеплер був першим, хто поставив таке питання про рух планет, і він мав шукати той шлях, яким можна було на нього відповісти: шукати зв'язок на шляху релігійних символів або знайти якусь нову дорогу. (У першому виданні своєї книги "Таємниці світобудови" він пише про душі планет і Сонця, у другому виданні замінює слово "душа" словом "сила".)

Кеплер був асистентом (фактично і спадкоємцем) чудового астронома-спостерігача Тихо Браге, який проводив точні вимірювання положення Сонця і планет (нагадаємо, що телескопів ще не було). Зокрема, Браге точно встановив дні рівнодення, зимового і літнього сонцестояння. Ось ці результати, разом зі своїми власними, Кеплер зумів обдумати і обробити. Як відомо, 21 березня і 21 вересня тривалості дня і ночі точно рівні - це дні весняного та осіннього рівнодення, вони ніби ділять рік на дві частини. А от якщо порахувати кількість днів від 21 вересня до 21 березня і потім навпаки, то виявиться, що ці проміжки не рівні: від осіннього рівнодення до весняного минає 181 день, а від осіннього до весняного — 184 дні, на три дні більше!

Практично всі мають в руках календарі, і кожен міг би провести ці підрахунки і задуматися над ними. Але був потрібний геній Йоганна Кеплера, щоб звернути серйозну увагу на таку дрібницю і зробити з нього дуже далекосяжний висновок, іменований зараз Першим законом Кеплера: всі планети звертаються навколо Сонця еліпсами, в одному з фокусів яких знаходиться Сонце. А ґрунтувався Кеплер ось на чому. Якби планети оберталися, як вважали Птолемей, і Коперникг по колам, то кожну половину кола вони проходили б за однаковий час. Але оскільки, як ми бачимо, це не так, значить, вони рухаються не по колам, а по якихось близьких до них траєкторіях. Найближча до кола плавна крива — це еліпс, до того ж добре вивчений.

«Сліди геометрії відображені у світі так, ніби геометрія була прообразом світу», — говорив сам Кеплер. Але це поки що гіпотеза, необхідні найважчі, особливо для того часу, багаторічні спостереження, свої і покійного Тихо Браге, (тільки до кінця роботи Кеплер винаходить слабеньку зорову трубу!) і розрахунки — на папері, в стовпчик! А тепер щодо тих трьох днів — це вже наслідок Другого закону Кеплера, згідно з яким поблизу Сонця, в перигелії, планети рухаються швидше, ніж на дальній частині еліпса, в афелії. Кеплер - геніальний вчений: він розуміє, що будь-які теорії слід перевіряти на різних об'єктах. Тому він робить, вже зі своїм примітивним телескопом, неймовірні за складністю і точністю вимірювання траєкторій супутників Юпітера, незадовго до того відкритих Галілеєм, і доводить, що їхні рухи підпорядковуються тим самим законам, що й рухи планет, — теорія Кеплера може вважатися перевіреною! (Про складність і несподіванку висновків Кеплера каже вже те, що його сучасник Галілей з ним не погодився і продовжував вважати орбіти планет круговими!)

І що є найголовнішим у творчості Кеплера: він був першим, хто намагався знайти універсальні закони, засновані на земній фізиці, але керуючі і небесними тілами, — до нього взагалі не виникало ідеї про єдність взаємовідносин (поки що немає сил, поняття яких запровадив Ньютон ) у природі: приймалося, що одні закони діють Землі і зовсім інші — у небесах. Дуже показово, що книга Кеплера "Нова астрономія" має підзаголовок "Нова фізика" - так стверджується їхня єдність.

Не можна не сказати кілька слів про Кеплера як про людину. Його мати, абсолютно неписьменну жінку, звинувачують у чаклунстві і залучають до суду ін-квізиції, що майже напевно означає спалення на вогнищі. Кеплер, ще нікому не відомий, пішки, через половину Німеччини, добирається до місця суду і - в той час це звучить як диво - своїм пристрасним і логічним виступом домагається виправдання матері.

Оцінюючи заслуги Кеплера, А. Ейнштейн писав: «Якою глибокою була в нього віра в таку закономірність, якщо, роблячи на самоті, ніким не підтримуваний і не зрозумілий, він протягом багатьох десятків років черпав у ній сили для важкого та копіткого емпіричного дослідження руху планет та математичних законів цього руху!»

Властивості магніту притягувати металеві предмети було відомо ще в Стародавній Греції, китайці, ймовірно, користувалися якоюсь подобою компаса. Але перші серйозні дослідження провів тільки Вільям Гільберт (1544-1603), лейб-медик королеви Єлизавети I: як не дивно, але тільки він першим спробував - як мав би вчинити будь-який допитливий хлопчик - розламати магніт, розпиляти його на шматки і подивитися, що з цього вийде: виявилося, кожна частина також є магнітом.

Потім Гільберт вигадав найважливіший прилад фізики: здогадався підвісити голку намагнічену на нитку і з її допомогою довів, що у кожного магніту є два і тільки два полюси. (Далі ми згадаємо про його співвітчизника П. А. М. Дірака, який висловив, вже у XX ст., сумнів у цьому твердженні.) При цьому однойменні полюси відштовхуються, а різноіменні притягуються. Сила тяжіння, як встановив Гкльберт, зростає, якщо до магніту приробити арматуру - чисте залізо, яке саме не намагнічується, не може стати постійним магнітом, а набуває таких властивостей тільки в магнітному полі.

Зробивши залізну кулю і намагнітивши її, Гкльберт показав, за допомогою голок, що в цієї кулі такі ж властивості, як у Землі, і тому назвав Землю великим магнітом. (Раніше припускали, що магнітна стрілка компаса притягується до якоїсь точки на небі.) Крім магнетизму Гільберт займався дослідженням електричних явищ. Тут з часів Фалеса Мілетського (640—550 до н.е.(наша ера)) було відомо лише те, що потертий вовну бурштин притягує легкі дрібні тіла (соломинки, папірці). Гільберт почав пробувати наелектризувати тертям та інші речовини і показав, що ще багато з них мають такі ж властивості, причому, винайшовши перший електроскоп, він почав кількісно порівнювати властивості цих тіл, швидкість зменшення величини електризації в залежності від освітлення, від вологості тощо. .Для всіх цих властивостей він запропонував назву «електрика» від грецького слова «електрон» - бурштин. Зазначимо, що в наступні сто років до його результатів та винаходів, воістину геніальних за своєю простотою, нічого нового не додалося.

Аристотель, як ми пам'ятаємо, ввів принцип «природа боїться порожнечі» і за допомогою цієї остраху порожнечі (horror vacui) пояснював продовження руху тіл без сил. Галілей спробував виміряти силу цієї боязні: він заповнював скляну трубку, запаяну з одного кінця, водою, закривав її рухливим поршнем і перекидав, а потім прив'язував до поршня грузики, щоб виміряти, при якому навантаженні вгорі стовпа води з'явиться порожній простір, тобто ... буде подолана сила страху порожнечі. (Тепер ми, звичайно, розуміємо, що таким чином вимірювалася сила зчеплення стовпа води.)

Проблема загострилася, коли до старого і майже сліпого Галілея прийшли садівники герцога Медічі: у них був виритий глибокий, метрів за 12, колодязь, і жоден насос чомусь не піднімав звідти воду до поверхні. Розібратися в проблемі Галілей попросив свого учня, що щойно з'явився, Торрічеллі (1608—1647). Довгі роздуми ні до чого не приводили, поки Торрічеллі не осяяло, що замість 12-метрового стовпа води потрібно спробувати зробити досліди з ртуттю, яка в 13,6 разів важча, і тому буде потрібно стовп заввишки менше метра (можна вважати, що в цей момент виник метод моделювання!).

У першому ж досвіді, за дорученням Торрічеллі, його провів у 1643 р. Вінченцо Вівіані (1622—1703), у запаяну з одного кінця скляну трубку завдовжки близько 1 метра була налита ртуть. Вівіані затиснув пальцем вільний отвір, перевернув трубку і опустив її вертикально в посудину з ртуттю. Ртуть почала виливатися і зупинилася на висоті близько 76 см, тут Торрічеллі осяяла і друга ідея: над ртуттю - порожнеча (зараз вона називається торрічелевою порожнечею), а висота стовпа ртуті відповідає тиску атмосфери - горезвісна «страх порожнечі» не при чому!

Фактично Торрічеллі абсолютно по-новому використовував закон сполучених судин: вже давно було відомо, що якщо дві вертикальні судини з водою з'єднати знизу трубкою, то вода між ними переливатиметься, доки не встановиться в обох колінах на одному рівні. Якщо ж у цих колінах різні рідини, наприклад вода та спирт, то висота стовпа легшою з них виявляється вищою: можна думати, що таким чином компенсується її легкість.

Ну, а якщо в одному з колін не рідина, а повітря? Порівняємо висоти стовпів води та ртуті: за спостереженнями садівників вода піднімається лише до рівня приблизно 10 метрів, за вимірами Вівіані ртуть піднімається на рівень 76 см. Таким чином, співвідношення висот десь близько 13—15, що близько до питомих ваг ртуті та води. Отже, можна зробити висновок, що в цьому досвіді одним коліном була трубка з ртуттю, а другим — вся атмосфера. Однак ця ідея, ідея атмосферного тиску, була настільки нова і здавалася настільки парадоксальною, що знадобилася винахідливість багатьох учених, щоб зробити її природною і ніби само собою зрозумілою.

Наочно довести всьому світу існування порожнечі та роль атмосферного тиску зумів дипломат та багаторічний (протягом 32 років!) бургомістр славетного торгового міста Магдебурга Отто фон Геріке (1602—1686) після того, як він винайшов повітряний насос.

"Я винайшов і побудував ряд інструментів і приладів для доказу існування порожнечі, що не визнається досі", - писав Геріке. І досвід, який він показав членам німецького рейхстагу 8 травня 1654 р., у наш час пройшов би першим рядком на всіх світових каналах телебачення. Проводився цей досвід, що найчастіше зображується в книгах з історії, так. З великої мідної кулі, що легко поділяється на дві півкулі (коли вони прикладалися один до одного, з'єднання ущільнювалося шкіряною прокладкою), викачувалося повітря. Потім у кільця на півкулях впрягалося з обох боків по вісім коней-важковозів, але - як їх не поганяли - відірвати півкулі один від одного вони не могли. Після цього кожен бажаючий відкривав кран, повітря з жахливим гуркотом вривалося в кулю, і той легко розіймався руками. (Нам зараз зрозуміло, що прив'язувати по вісім коней з кожного боку не обов'язково: один бік можна було прив'язати до стіни, але, по-перше, ефект був би меншим, а, по-друге, Третій закон Ньютона ще не був відкритий .)

Крім першого повітряного насоса та акустичних дослідів, Геріке прославився тим, що він винайшов електростатичну машину, гігрометр, відкрив явища електростатичної індукції, свічення при закінченні зарядів тощо. їм водяного барометра почали різко падати, Герике зрозумів, що й тиск повітря тут сильно зменшується, то незабаром у місце хлинуть з усіх боків повітряні потоки і почнеться буря, що попередив всіх жителів. Так було започатковано наукове передбачення погоди.

Проте наукові істини не так просто сприймаються. Щоб метод Герике став загальновизнаним, знадобилися майже два століття і катастрофа з безліччю жертв: 2 серпня 1837 р. начальник гавані Пуерто-Рико попередив моряків про неймовірно різке зниження показань барометра і майбутній бурі. Вони його не послухалися, і всі корабля, що стояли в гавані, затонули!

Блез Паскаль (1623—1662) був найвидатнішим вундеркіндом і одним із найбагатших людей в історії. Перші відкриття він зробив у віці... 5 років: батько зайшов з гостями до дитячої та побачив, що хлопчик будує на підлозі трикутники з паличок — виявилося, що він так самостійно перевідкрив ряд початкових теорем геометрії. Допомагаючи батькові, інспектору з податків, у довгих розрахунках, він винайшов і побудував, мабуть у 14 років, перший механічний арифмометр, у 16 ​​років написав книгу з математики, де виклав низку нових результатів, пізніше започаткував теорію ймовірностей. Тільки три роки, з 1647 по 1650, Паскаль інтенсивно займається фізикою, де йому належить чимало відкриттів, а з 1653 він практично повністю занурюється в релігію, пише дві книги, з яких, на думку багатьох, починається сучасна французька література.

Дізнавшись про досвід Торрічеллі, Паскаль вирішує, що повітря під дією своєї ваги має згущуватися донизу, тобто атмосферний тиск має падати з висотою. Тому він, людина дуже болюча і фізично слабка, просить свого зятя Ф. Пер'є спорудити за описами Торрічеллі два барометри і з одним з них піднятися на гору (другий, для порівняння, залишається біля підніжжя). 19 вересня 1648 р. Пер'є здійснює цей досвід (і входить тим самим в історію): піднімаючись на гору, він дійсно бачить безперервне зниження стовпчика ртуті - гіпотеза доведена, тиск дійсно залежить від ваги стовпа повітря. Паскаль публікує брошуру з описом дослідів: страху порожнечі, горезвісного horror vacui, більше не існує!

Ну а залежність тиску від висоти стовпа води, формулу для якої Паскаль вивів, він продемонстрував при великому збігу знаті на чолі з королем у Клермон-Ферран. У міцну законопачену дубову бочку, наповнену водою, була вставлена ​​тонка висока, до третього поверху, скляна трубка; коли в цю трубку було налито з відповідної висоти лише одну склянку води, то сорокаведерна бочка не витримала тиску і розірвалася — глядачі на власні очі переконалися, що тиск залежить не від маси води, а лише від висоти її стовпа.

Роберт Бойль (1627-1691), 14-й син графа Корка, був не лише видатним хіміком, фізиком і філософом, а й світською людиною, дружив з королем Карлом II, який сам цікавився науками та дослідами. Тому Бойль мав можливість утримувати асистентів та лаборантів для виконання чорнової роботи у численних експериментах. (Бойль, людина релігійна, говорив, що боїться померти тільки тому, що «на тому світі» все вже зумовлено і не можна експериментувати!)

Особливо багато однотипних вимірів знадобилося, коли Бойль зайнявся дослідженням тиску в газах, який до того ніким не вивчався. Так, якось, розповідають, він, вирушаючи на бал, доручив своєму лаборанту продовжити вимірювати зміни обсягу газу в закритій посудині при зміні тиску. З балу Бойль повернувся несподівано рано і з обуренням виявив, що помічник спить у кутку, а біля нього лежить папірець з акуратно виписаними довгими стовпчиками начебто виміряних цифр тиску та об'ємів. Розбуджений стусанами лаборант лепетав, що міряти і не треба, що добуток об'єму на тиск постійно, але був, звичайно, з ганьбою вигнаний.

І тут Бойль якось замислився: а раптом? Почалася копітка і довга робота, але ідея, випадково висловлена ​​малограмотним помічником, виявилася за всіх перевірок вірною. Так виник закон Бойля - Маріотта. (Другий автор пере відкрив його трохи пізніше, але в англійських книгах і зараз є закон Бойля, а у французьких - закон Едма Маріотта (1620-1684), фізика і ботаніка.) Бойль дозволив і стару загадку про те, що легше - вода або лід Він заповнив водою міцний рушничний ствол, виставив його на мороз, і через дві години ствол лопнув. Усім стало зрозуміло, що крига під час замерзання розширюється.

Роберт Гук (1635—1703) розпочинав наукову кар'єру помічником Бойля. Потім він став «куратором дослідів» нещодавно освіченого Королівського товариства існуючої Академії наук Великобританії. Обов'язком Гука було повторювати та перевіряти ще раз отримані суспільством повідомлення про нові відкриття, а також готувати та демонструвати членам суспільства (на кожному засіданні!) нові досвіди. З одного боку, це допомогло його неймовірній різнобічності як вченого, але з іншого — вело до поспіху, до переключення з одного розпочатого дослідження на інше, а тому він часто висловлював ідеї, не встигаючи їх обміркувати та досліджувати, а потім вів нескінченні суперечки про пріоритет (зокрема, із Ньютоном про закон Всесвітнього тяжіння).

Гук першим здогадався, що для кращого розгляду речовин та предметів під мікроскопом їх треба розрізати на тонкі шари та дивитися на просвіт. Так, підкладаючи під мікроскоп все що тільки можна, він відкрив, що всі рослини мають клітинну будову, і вигадав саме слово «клітка». Далі він мікроскопічно довів, що сніжинки мають кристалічну структуру і т. д. Ще одна ідея, яка зараз виглядає дуже простою, але до Гука нікому не спадало на думку, полягає в тому, що тверді тіла повинні під навантаженням деформуватися (усі приймалося, без перевірки, що тверді тіла, на відміну газів і рідин, мають завжди незмінну форму; нагадаємо, що гума була винайдена набагато пізніше). Для перевірки цього положення Гук досліджував можливість розтягування твердих тіл під дією навантаження - просто підвішував вузькі смужки різних металів, прикріплював до нижньої частини смужок чашечку, в яку клалися гирки, і вимірював (іноді за допомогою мікроскопа) величину подовження.

Так він з'ясував, що подовження завжди прямо пропорційне до величини докладеної сили — це і є знаменитий закон Гука. (Гук у той час не міг докласти такого навантаження, при якому цей закон починає порушуватися, тому зараз діаграму подовження тіл під навантаженням ділять на гуківську та негуківську частини.) Ці дослідження Гука лише у 1807 р. уточнив його співвітчизник Томас Юнг (докладніше про нього - нижче): він з'ясував, як коефіцієнт Гука залежить від довжини і поперечного перерізу тіла, що розтягується. Далі Гук аналогічними дослідами довів, що це речовини при нагріванні розширюються. (Пізніше було з'ясовано, що це твердження не зовсім вірно: вода при нагріванні від нуля до 4 ° С стискається, відхиляється від цього закону поведінка напівметалу вісмуту та деяких інших, але такі винятки дуже рідкісні, а пояснення їм були знайдені лише у XX ст. ) Таким чином, Гук став фактично основоположником фізики твердого тіла.

Повернемося кілька тому за часом і розглянемо чудовий оптичний експеримент, який здійснив Франческо Марія Гримальді (1618-1663), монах-єзуїт та фізик. Експеримент був дуже простий і багато разів до того пророблявся: у темну кімнату через маленький отвір пропускався промінь світла, що перетворювався на конус, так що на екрані виходив яскравий кружок або еліпс. Це було добре відомо. Але ось Гримальді ввів у цей конус, на досить великій відстані від отвору, палицю, тінь якої мала перетнути яскравий кружок на екрані. І несподівано виявилося, що, по-перше, тінь ширша, ніж слід, виходячи з ідеї прямолінійного поширення світла, по-друге, по обидва боки центральної тіні можна було помітити, залежно від яскравості сонячного світла одну, дві або три темні смуги , і, по-третє, краї цих смуг були блакитними з боку центру та червоними з протилежного краю.

Коли ж Гримальді проробив два близькі отвори в віконницях, то зміг помітити багато нових особливостей при перекритті світлих гуртків на екрані: навколо кожного з них виникали темні кільця, місця перетину яких були світлішими за обидва каблучки. У подальших дослідах він змінював форми та розміри отворів, їх поєднання. Таким чином, Гримальді відкрив, що крім відображення (рефлексії) та заломлення (рефракції) існує і явище, яке він назвав дифракцією і яке полягає у частковому огинанні світлом перешкод.

Християн Гюйгенс (1629-1685), геніальний фізик і математик, увійшов в історію насамперед як найбільший годинникових справ майстер усіх часів, який винайшов маятниковий годинник, а потім придумав і годинник з пружинним балансиром. Водяний і пісочний годинник існували вже два тисячоліття, але кожен їхній екземпляр відрізнявся своїми особливостями, своєю «швидкістю ходу». Сонячний годинник, тобто. вертикальний стовпчик, тінь якого пересувається з рухом сонця і показує час на накресленому циферблаті, повинні мати багато шкал, для кожного місяця року принаймні, і такий годинник, звичайно, не працює в погану погоду та вночі.

Вже XIII—XIV ст. стали споруджувати колісний, або механічний годинник, в основному баштовий. Їх надавали руху важкі ги-ри вантажі, що спускаються потім вниз, обертали системи коліс і стрілки. Але гирі при спуску поступово прискорювалися, і час «починав текти швидше».

Коли Галілей відкрив ізохронність маятника, йому стало ясно, що маятник можна використовувати для відмірювання проміжків часу. Можна було, наприклад, написати, що за час спуску вантажу з такої похилої площини маятник довжиною в 1,5 м зробив п'ять коливань, і тоді будь-яка інша людина могла повторити цей досвід і перевірити кількісну правильність результату. Але не сидіти ж і рахувати весь час кількість коливань: ставало ясно, що треба винайти і якимось чином приробити до маятника лічильник цих коливань.

Винахідники билися над цією проблемою близько сімдесяти років і жодного результату. А Гюйгенс вирішив завдання геніально просто (одна з ознак геніального відкриття, винаходи — коли воно здійснено, то всім здається, що будь-хто міг би до цього сам додуматися). Для чого, вирішив він, винаходити якийсь лічильник, адже є вже механічний годинник, вони ж і лічильник: потрібно просто приробити такий храповик, «собачку», щоб при кожному коливанні маятника, вантажу на довгому стрижні, цей песик дозволяв ведучому коліщатку повертатися на один зубець. (І зараз зустрічається такий самий простенький годинник з гиркою, частіше вже в наборах дитячих конструкторів, які точно повторюють годинник Гюйгенса.)

Так було вирішено найскладнішу на той момент проблему вимірювальної техніки. Потім Гюйгенс винайшов годинник із пружинним балансиром, кишеньковий або наручний (тут його пріоритет намагався оспорювати Гук, і не тільки він один). Цей годинник зміг вирішити найважливіше завдання визначення становища судна в морі: британське адміралтейство оголосило відкритий конкурс з пошуку найкращого способу визначення довготи судна з величезною на той час премією. (Широту можна було визначити по кутку на сонці опівдні за наявності заздалегідь розрахованих таблиць.)

Винахід пружинного годинника цю проблему повністю вирішив. Якщо на судні є точний годинник, хронометр, що показує час по грінвічському меридіану, то визначивши їх показання опівдні даного місця, тобто в момент, коли тіні найбільш короткі, можна визначити свою довготу: різниця в одну годину означає відмінність від меридіана грінвіча на 15 ° і т.д. (Сонце описує повне коло в 360 ° за 24 години, звідси і виходить ця цифра.) Зауважимо, що раніше одні й ті самі острови багато разів перевідкривалися, а їх положення на картах відрізнялися на тисячі миль.

Не подумайте тільки, що заслуги Гюйгенса обмежуються годинами, хоча й цього вистачило б для безсмертя в історії: він розвинув хвильову теорію світла і запропонував принцип, який названий його ім'ям і є фундаментом всіх хвильових теорій, у тому числі оптики і акустики. А ось цікава і повчальна історія, описана ним в одному листі в 1693 р. У замку Шантильї під Парижем Гюйгенс зауважив, що якщо встати між сходами і фонтаном, що працює, то чути звук, що нагадує музичний тон: він припустив, що це відбувається внаслідок відображень від рівновіддалених сходів. Вимірявши ширину сходинок, Гюйгенс робить паперову трубку такої ж довжини і знаходить, що вона видає той самий тон, - фактично сходи виділяють із шуму фонтана одну резонансну частоту, а Гюйгенс знайшов приклад розкладання шуму в акустичний спектр.