惠更斯原理(老惠更斯和小惠更斯)

在荷兰黄金时代，父亲对自然的好奇如何演变成儿子专注的科学探索。

16 世纪 50 年代，受人敬仰的荷兰外交官康斯坦丁-惠更斯经常闲得发慌。在与西班牙的八十年战争期间，他是荷兰北部统治王朝奥兰治家族历代王公的忠实秘书，曾被英国詹姆斯一世和法国路易十三封为爵士。

现在，荷兰正处于共和政体的试验阶段，不再需要他的外交服务。于是，他放下不倦的笔，转而著书立说。

1653 年 9 月，他偶然读到了英国流亡女公爵玛格丽特-卡文迪什新出版的诗集《诗歌与幻想》，卡文迪什是一位坚定的保皇党人，为了躲避奥利弗-克伦威尔，她把家安在了安特卫普。

在卡文迪什的诗歌和对话中，她提出了一系列未经验证的科学观点，其中包括长达 50 页的诗歌阐述了她的原子理论。

惠更斯在给一位朋友的信中写道，"她那'奢侈的原子'让我昨晚整夜无法入睡。

几年后，1657 年 3 月，60 岁的惠更斯开始与卡文迪什通信，想知道她是否能解释一种在欧洲沙龙中引起热潮的奇怪现象。

所谓的鲁珀特王子水滴是将熔化的玻璃滴入一桶冷水中形成的逗号状珠子。这种水滴有一个看似矛盾却极具娱乐性的特性，那就是用钳子挤压或用锤子敲打时，它们几乎坚不可摧，但当尾部的尖端被折断时，水滴的其余部分就会立即爆炸成粉末。

惠更斯这样的大人物向卡文迪什征求科学意见，卡文迪什感到受宠若惊。她认为，"油性精神或硫磺精华 "可能会引起爆炸，就像耳环吹制玻璃球中的彩色丝绸一样融入玻璃中。

然后，惠更斯将其中一滴放在火中加热到红热，希望它能爆炸，以此来验证她的假设。然而，它并没有爆炸，当它冷却下来时，他发现它已经完全失去了爆炸的能力。

得知这一情况后，卡文迪什猜想可能是火在爆炸前蒸发了硫磺精，但他又想到了另一种机制，其中封存的被压抑的空气，经过发泄，是这些玻璃杯发出声音或报告的原因。

事实上，这两种理论都是错误的。在同时代的学者中，罗伯特-胡克最接近于将这种效果解释为玻璃在形成过程中张力的释放。

值得注意的是，我们看到了两个博学而好奇的人试图以科学的方式行事。卡文迪什和惠更斯都明白实验是前进的方向，但他们都不知道该做什么实验，也不知道如何评估实验结果。

他们希望从观察到的结果中推断原因，并知道必须根据获得的结果完善和修改他们的假设。但让他们感到沮丧的是，每一种新方法都只能靠猜测。

在他们的交流不尽人意地结束时，卡文迪什在最后一封信上签了字，因此，先生，您可以从我的论证中看出，我努力使我以前的观点或感觉变得正确，尽管我并不把自己束缚在观点上，而是束缚在真理上；而事实是我无法找出眼镜的真相。

康斯坦丁-惠更斯对自然哲学这门有朝一日会成为'科学'的学科表现出浓厚的兴趣，这完全符合他贪婪的智慧。

事实上，他对大多数领域都很感兴趣，而且是其中许多领域的专家。他会说或写八种语言，甚至可能比他的外交官生涯中直接有用的语言还要多，他还涉猎其他几种语言。

他是荷兰共和国最出色的诗人和作曲家之一，也是一位艺术家，他的学识足以让他发现年轻的伦勃朗的天赋，并通过早期的一些委托创作开启了伦勃朗的艺术生涯。

他对大自然有着广泛的兴趣。他尝试自己调制草药和香水。由于从小就必须戴眼镜，他对终生光学和各种光学设备产生了浓厚的兴趣。

1621 年，在伦敦的一次外交活动中，他遇到了荷兰同胞、发明家科内利斯-德雷贝尔，并从他那里获得了一台暗箱照相机。

他写道，这台照相机投射出的图像如此美丽，它承诺所有绘画都会因此而消亡。

1635 年，他试图协助当时住在荷兰的勒内-笛卡尔制作双曲透镜，这种透镜的形状被认为可以克服球差和色差，而早期望远镜投射的图像质量经常受到色差的影响。

尽管曾多次尝试绘制精确的曲线供镜片研磨机使用，但这一项目还是以失败告终。不过，在这一事件发生后不久，惠更斯就能提供他更熟悉的帮助，他安排在荷兰和法国出版了笛卡尔具有里程碑意义的哲学著作。

康斯坦丁-惠更斯和他的五个孩子的肖像

惠更斯碰巧参加了当时的另一项科学奇观，公开解剖演示，突然被叫走，因为他的妻子苏珊娜要生第二个儿子了。

克里斯蒂安-惠更斯于 1629 年 4 月 14 日出生在海牙的家中；他现在是伽利略和牛顿之间最伟大的科学家，最著名的成就是发现了土星的第一颗卫星和环绕该行星的星环（后来被确认为光环），还发明了摆钟，并提出了基本正确的光波理论。

父亲对自然哲学的探索与儿子严谨的科学程序之间有着天壤之别。

1657 年春天，当他的父亲还在用鲁珀特王子的水滴自娱自乐时，28 岁的克里斯蒂安-惠更斯已经因为他的土星发现而声名鹊起，他正在准备一篇关于土星的完整论文。

其中包括对未来数年土星相位的预测，以及从地球上看土星环外观的变化，这让后来的天文学家能够对他的计划进行胜利的验证，尽管有些人仍然对此表示怀疑。

克里斯蒂安-惠更斯的《土星系统》中的一幅版画

克里斯蒂安曾在1655年访问巴黎时因其成就而备受赞誉，当时他结识了巴黎的许多著名天文学家和数学家，并与他们就几何问题展开了激烈的争论。

当时的一个挑战是了解曲线的性质。抛物线和双曲线等曲线与圆和椭圆同属于 "圆锥曲线 "家族，可以证明它们遵守简单的数学规则。

但其他一些曲线，如双曲面（由洗衣线等自由悬挂的绳索划出的曲线）和摆线面（圆周上的一点沿直线滚动所划出的直线），则更难理解。惠更斯没能彻底解决双曲面的难题，但他至少证明了双曲面并非许多人所认为的抛物线。

目前，摆线也保留了其基本的神秘性，由于它的美丽和容易引发嫉妒的争论，它被 17 世纪的数学家们称为 "几何界的海伦"但它很快就会在惠更斯的另一个研究领域中令人惊讶地再次出现。

在巴黎期间，惠更斯还了解到皮埃尔-德-费马和布莱斯-帕斯卡的研究成果，他们通过证明偶然性法则符合数理逻辑，开始为概率论奠定基础。

回到海牙后，惠更斯迅速在这一领域做出了自己的贡献，在第一本出版的概率教科书中，他通过在各种游戏场景中掷硬币和掷骰子来总结机会法则。

这是继克里斯蒂安-惠更斯1656 年的设计之后制造的最早的摆钟

在疯狂地进行观察和计算的同时，惠更斯还忙于一个更实用的项目，他在写给他以前的数学导师的信中自豪地写道，"我设计了一个新的钟表，它能精确地测量时间，如果把它带出海，就有希望确定经度"。

惠更斯与海牙钟表匠萨洛蒙-科斯特合作，制造了一个又一个钟表，逐渐将计时精度提高了 100 倍左右，从而将每天的误差减少到几秒以内。

他的改进之一是在钟摆的悬线上安装由弧形金属板制成的小缓冲器。虽然给定长度的摆的周期理论上是恒定的，但实际上，摆锤的位移非常大时，周期也会增加。

惠更斯的金属缓冲器提供了一种简单的方法，使摆的周期在所有位移情况下都规则化，从而实现更高的精度。

通过进一步实验，惠更斯发现这种干预改变了摆锤的运动轨迹，使其从简单的圆弧变为更复杂的曲线的一部分，而这正是摆线。

这一发现让他大吃一惊，于是他进一步研究，发现缓冲器的最佳形状也是摆线形。克里斯蒂安将彗星视为纯粹的物理现象，从逻辑上排除了彗星作为预兆的任何优点。

这些看似不同的成就源于年轻的惠更斯所发起的一系列研究，这些研究同时进行，而且非常深入和严谨。

但是，正如摆线针的反复出现所表明的那样，这些成就也得益于理论与实践之间，以及天文学、数学和力学等学科之间的一些显著的交叉融合，而惠更斯在这些学科的核心方面具有得天独厚的优势。

因此，他在钟表机械方面的创新为他对基础力学和几何学的理解提供了依据，不仅让他对摆线针有了更多的了解，还让他掌握了离心力和能量守恒的概念。

机械学也促进了惠更斯对 "导体 "的思考，他通过想象在一条水平拉伸的直线上的不同点逐一增加悬挂的砝码会逐渐形成的曲线，进而对 "导体 "进行了分析。

在天文学方面，惠更斯自己制造了越来越强大的望远镜--包括打磨镜片这一费力的过程，他经常与哥哥一起分担这一工作。

他用 12 英尺长的望远镜发现了土星的第一颗卫星，一年后又用 23 英尺长的望远镜发现了土星环。

但是，正是他的几何学和力学知识帮助他正确解释了轨道环，而当时其他天文学家不仅使用较差的望远镜，而且对物理和数学可能性的理解也较差，他们猜想土星会有各种奇怪的附属物。

后来，惠更斯在解释彗星时也采用了类似的思路，他和许多其他天文学家一样，认为彗星是从太阳向外直线传播的。

对 1680 年出现在天空中的一颗明亮彗星的详细观测--这是第一颗用望远镜探测到的彗星--使他改变了想法，接受了彗星实际上是以椭圆轨道运动的观点。

这颗彗星的出现再次说明了好奇的父亲和科学的儿子在研究方法上的根本区别。

许多荷兰人迷信彗星，无情的说教者利用了他们的恐惧，彗星的出现总会预示着一些灾难。

康斯坦丁的回答比这更细微一些。他习惯性地记录彗星的经过，因此克里斯蒂安认为值得问他 1680 年的彗星与另一颗明亮的彗星相比如何，他知道他父亲早在 1618 年就看到过这颗彗星。

康斯坦丁经常利用彗星来创作诗歌，但他并不相信彗星是预兆，他在诗歌中对这种想法进行了讽刺。

但他不太相信这些彗星没有任何意义，而是把它们看作是上帝的隐秘信息，在时机成熟时会完全揭示出来。

克里斯蒂安则认为彗星是纯粹的物理现象，从简单的逻辑上排除了彗星作为预兆的价值。

他注意到他的同胞们对天体的不同解读，他推论道，如果彗星同样意味着好的和坏的事件，除非它们什么都不意味着，那又意味着什么呢。

克里斯蒂安和他的父亲一样，也是一名出色的音乐家。不过，康斯坦丁喜欢音乐会表演以及由此带来的社交可能性，而克里斯蒂安对音乐的兴趣则更多地停留在理论层面。

与 17 世纪的许多思想家一样，他对音乐的音色也有自己的想法，他设计了一种将八度音程分成 31 个间隔细致的音符的方法。

然而，与大多数人不同的是，他更进一步，为自己制作了一台特殊的大键琴来展示这一系统。

也许克里斯蒂安对音乐的感受帮助他认识到，与声音一样，光也是以波浪的方式传播的。在他巴黎成功职业生涯的最后几年，他将这一概念发展为成熟的光理论。

他利用自己擅长的几何分析方法，通过一系列优雅的图表，解释了所有常见的光学现象，包括光从表面的反射，以及光在各种透明介质中的折射，这就是现在常说的惠更斯原理，即光在其传播过程中的每一点都可以看作是从一点发出的波。

这一激进的理论虽然在本质上是正确的，但很快就被牛顿基于 "光团 "或微粒的光模型所取代，而且影响越来越大。直到 19 世纪的精密实验，物理学才最终接受了光是一种波的概念。

克里斯蒂安-惠更斯对科学的态度更加成熟，他有条不紊地增加科学知识，这标志着与他父亲那一代人相比，社会和文化发生了深刻的转变。

事实上，如果你曾想过 "科学革命 "是突然发生的，那么你可能会把这一时刻放在这两个人的一生之间。

当然，正如最近的历史学研究表明的那样，从中世纪中前期开始，科学在几个世纪中稳步发展。

如果说克里斯蒂安作为科学专业人士的行为是超前的话，那么他父亲的态度则与他的时代格格不入。

如果不是忙于奥兰治家族的秘书工作，康斯坦丁可能会花更多时间研究自然现象，但他仍然不具备设计实验并成功完成实验的能力。

在他儿子的一生中，康斯坦丁也没能从围绕自然哲学家而形成的社会结构中充分受益。

康斯坦丁和玛格丽特-卡文迪什是 "文学共和国 "的正式成员，但他们并不认同年轻一代正在制定的协议，其中包括一种理解，即观察结果应系统地记录下来，实验应具有可重复性，结果应进行比较和独立验证（或在出现矛盾证据时进行证伪），并为所有人的利益迅速发表。

康斯坦丁与英国的弗朗西斯-培根、医生兼作家托马斯-布朗爵士等人的关系更为密切。

事实上，惠更斯在1621年访问伦敦时就见过培根，但他失望地发现这位英国老人充满了 "傲慢自负和装腔作势"。

虽然培根以所谓 "科学方法 "的创新者而闻名，但他本人可能很少做实验。另一方面，布朗在编写《伪科学流行病学》的过程中确实做了许多初级实验，该书是一部关于自然现象的流行误解或 "庸俗错误 "的大型汇编。

书中驳斥了数十种错误观念，通常只需引用一位古代或现代的著名权威，但有时也会通过戏剧性的实际演示。

为了驳斥 "死去的翠鸟可以用作风向标 "的说法（这种说法非常普遍，以至于在莎士比亚的《李尔王》中也出现了这种说法，肯特在剧中提到了 "每逢大风，它们就会转动翠绿的喙 "这种不可靠的说法），布朗描述了他如何将两只翠鸟的尸体挂在丝线上，并观察它们如何在微风中独立定向。

这些人物在很大程度上摆脱了上一代哲学家对迷信和魔法的喜爱，如英国伊丽莎白女王宫廷中的约翰-迪伊和那不勒斯的詹巴蒂斯塔-德拉波尔塔。

他们正确地得出结论，花时间研究占星术和预言是没有结果的，相反，他们有足够的远见卓识，认识到消除人们错误的、可能有害的信仰是有好处的，甚至还为未来理想的科学发现设定了目标，比如治疗疾病或控制天气的方法。

惠更斯几乎是领导科学院的理想人选。然而，他们仍然缺乏一个发达的社会网络来开展这项工作。

与迪伊和德拉波尔塔一样，约翰内斯-开普勒和第谷-布拉赫等天文学家一直依赖宫廷资助，在不同程度上与世隔绝。

雇佣他们的国王和皇帝赋予天文学以优于其他科学的特权，其历史原因是天文学是占星术这一重要预测业务的重要支持。

我们今天所认识到的其他物理学学科，如机械学、水力学和弹道学，则作为应用科学得到支持，是防御工事、排水系统和武器工程师的专长。数学也被视为一门低级的技术学科，只是这些更有用艺术的助手。

这一切在 1660 年前后的几年间发生了变化。克里斯蒂安-惠更斯第一次访问巴黎时，发现自己在巴黎著名的知识分子沙龙中大放异彩。

即使他回到海牙，他的法国朋友也会继续在这些聚会上传播他在科学上取得突破的消息。1660 年，当他再次出现在海牙，并在 1663 年定居于此之后，克里斯蒂安便沉浸在这些圈子里。

不过，尽管他主要参加的沙龙已决心将讨论引向那些可以确定为事实并有实际意义的事情，但他仍然发现自己不得不 "听那些迂腐的人喋喋不休地谈论一些毫无意义的话题，而且一听就是几个小时"。

幸运的是，惠更斯在这些知识界建立的有影响力的关系让他引起了路易十四的全权大臣让-巴蒂斯特-科尔贝尔的注意。

1661 年成立了舞蹈学院，随后又成立了建筑、绘画、雕塑和音乐学院。他还希望建立一所科学院，以支持他的更大计划，即建立一个以可靠数据为依据制定政策的国家。惠更斯几乎是领导科学院的理想人选。

科尔贝尔需要一位多才多艺、勤于思考的实验者，他可以制定一项横跨所有科学领域的研究计划，并且不反对将这些研究用于他的国家建设项目。

科尔贝尔认为荷兰国籍并不构成障碍，他甚至可能认为这是一个优势，因为惠更斯不同于巴黎的一些沙龙人士，他不太可能反对实用性项目，因为他的祖国熟悉科学在管理水土关系方面的作用，尽管这些才能在很大程度上被挪用到了皇家庄园的喷泉等小玩意上。

惠更斯在这样一个机构的成立过程中发挥了核心作用（伦敦皇家学会大约在同一时期成立，惠更斯成为该学会的第一位外国院士），这是他职业生涯的最后一项成就，表明自他父亲的时代以来，科学已经发展到了何种程度。

有了院士们的支持网络，现在可以一心一意地从事科学研究了。尽管康斯坦丁拥有强大的宫廷关系网，但他永远不可能处于同样的地位。

这需要一个大城市的纽带和一个强大国王的支持，而这些都是外省的荷兰所无法提供的。克里斯蒂安-惠更斯在巴黎的科学事业蒸蒸日上，这在海牙是无法想象的。

也许，他早年在巴黎对概率数学的研究也影响了他对科学的理解。自然哲学家们不再关注科学主义，而是学会了对他们面前的证据进行最有可能的解释。

这种朴素的认识，就像天才们突然得到的一系列启示一样，为 "科学革命 "提供了动力。对惠更斯来说，即使是物理原理也不可能绝对确定。

他在死后才发表的最后一篇论文《关于其他星球上生命的推测》中写道，得出概率是一种荣耀，但概率有很多种程度，有些比其他更接近真理，我们判断力的主要行使就在于确定这些程度。

克里斯蒂安-惠更斯确定了现代科学家的任务。