物理群星
克里斯蒂安·惠更斯 肖像

图:Bernard Vaillant, 1686(公有领域)

克里斯蒂安·惠更斯

Christiaan Huygens

1629–1695 · 生于荷兰海牙 · 荷兰

光学力学天体与宇宙学

与牛顿争论光的本性、并且争对了的人

「我相信,我们对任何事都没有确定的知识,而只有或然的知识。」

—— 1673 年致皮埃尔·佩罗的信(据英译本意译)

十七世纪的欧洲有两个人同时在想「光是什么」。一个在剑桥,说光是一颗颗飞行的微粒;一个在海牙,说光是一层层推开的波。三百年后我们知道,海牙那位说对了一半——而在此后的一百年里,几乎没人听他的。

磨镜片的外交官之子

惠更斯出生在海牙一个显赫家庭。父亲康斯坦丁是荷兰执政的秘书、诗人,也是笛卡尔的通信友人——少年惠更斯的数学作业,笛卡尔看过并夸过。这样的出身让他一生不必为职位奔走,可以把时间花在自己磨透镜上。

1655 年,他用自制望远镜发现了土星最大的卫星。第二年,他解开了困扰天文学家半个世纪的谜题:伽利略看到的土星「耳朵」并非卫星,而是一圈薄而扁平、与土星本体不相接触的光环。他按当时的惯例先把结论写成字谜发表,确保优先权。

让时间变得可靠

同在 1656 年,惠更斯做成了另一件影响更直接的事:把摆接到齿轮上,造出了摆钟。在此之前,最好的机械钟一天误差十几分钟;摆钟把误差压到十几秒。1673 年的《摆钟论》远不止讲钟——他在里面处理了复摆、渐屈线、离心力,写下了向心力公式,那是《自然哲学的数学原理》问世前最深刻的一部力学著作。

一层层推开的波

1678 年,惠更斯向巴黎科学院提出:光是介质中传播的扰动,波前上的每一点都可以看作新的子波源,这些子波的包络构成下一刻的波前。用这条现在叫「惠更斯原理」的规则,他干净地解释了反射、折射,还啃下了当时最硬的骨头——冰洲石的双折射。

但他遇上了牛顿。微粒说能解释光的直线传播,波动说在当时解释不了「光为什么不像声音那样绕过墙角」(答案是光的波长太短,绕射量极小,而这要等到实验精度足够高才看得见)。牛顿的声望压过了一切,波动说沉寂了一个多世纪。

迟到一百年的胜利

1801 年,托马斯·杨用一束光穿过两道狭缝,在屏上得到明暗相间的条纹——只有波才会这样互相加强和抵消。菲涅耳随后把惠更斯原理补上数学,衍射与偏振全部就位。等到麦克斯韦证明光就是电磁波,海牙那位磨镜片的人已经去世将近两百年。

至于牛顿是不是全错了:二十世纪告诉我们,光既是波也是粒子。这场争论没有输家,只有一个迟到得太久的和解。

代表方程

单摆周期公式

T=2πLgT = 2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}

摆动一个来回要多久,只取决于摆长和当地重力,与摆锤多重、摆幅多大都无关。惠更斯把这条规律变成了钟——人类第一次拥有了精确的时间。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.惠更斯《光论》(莱顿,1690)——光的波动说
  2. 2.惠更斯《摆钟论》(巴黎,1673)——摆的等时性与向心力