Научная революция XVII века

В 1674 г. Дени Папен (1647—1714) описал воздушный насос, в котором откачиваемый сосуд с запорным краном был заменен столом и стеклянным колоколом. Заслуга во введении этого усовершенствования обычно приписывается Папену, однако сам он приписывал это Гюйгенсу, который, как теперь известно, сделал это открытие в 1661 г. Папен был учеником и ассистентом Гюйгенса, он познакомился с ним в Париже, и с 1672 г. начались их совместные работы по конструированию пневматических устройств. В первое время они занимались совершенствованием вакуумных насосов, но затем Гюйгенсу, увлекавшемуся тогда опытами с порохом, пришла в голову идея скомбинировать в одном аппарате силу атмосферного давления и силу взрыва. Так в 1673 г. была построена знаменитая пороховая машина, которую Гюйгенс и Папен демонстрировали Кольберу. Ее устройство было весьма простым и представляло цилиндр с поршнем; в пространстве под поршнем взрывалось небольшое количество пороха, в результате в камере образовывалось разрежение и поршень мгновенно втягивался в цилиндр. Машина развивала достаточную мощность, чтобы поднять нескольких человек. Папен всю жизнь продолжал заниматься вопросами пневматики (вскоре он переехал в Англию, где стал ассистентом Бойля, а затем членом Королевского общества), но для Гюйгенса это был всего лишь эпизод.

В том же 1673 году выходит в свет главная книга Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium»), в которой он свел воедино результаты своих многолетних исследований проблемы колебаний и вращательного движения. В ней впервые опубликовано соотношение между периодом и длиной маятника (сегодня оно записывается формулой T = 2l(l/g), дано доказательство таутохронности циклоидального маятника (которую он открыл еще в 1658 г.), а также развита теория центра качаний.

Проблема, которую предстояло решить Гюйгенсу, заключалась в описании колебаний физического тела аналогично тому, как это делается для простого (математического) маятника. Иначе говоря, задача сводилась к тому, чтобы найти характеристики простого маятника, колеблющегося изохронно с данным телом.

Гюйгенс нашел длину такого простого маятника, которая определяется расстоянием от точки подвеса до точки, находящейся на прямой, проходящей через центр тяжести тела и точку подвеса, и названной им «центром качаний». Формула, полученная Гюйгенсом для определения центра качаний, аналогична современной L = I/ml, где L — искомая длина, I — момент инерции, m — масса и l — расстояние от точки подвеса до центра тяжести. Гюйгенс получил также важную теорему об обратимости центра качаний, т. е. если центр качаний и точку подвеса поменять местами, то период колебаний не изменится.

В «Маятниковых часах» Гюйгенс приводит без доказательства зависимость центробежной силы (сам термин тоже принадлежит ему) от скорости и радиуса вращения: F_ц.б.~ v²/R. Эту зависимость он получил еще в 1659 г., но дал ее вывод, использующий закон падения Галилея и геометрические построения, позже, в рукописном трактате «О центробежной силе».

В 1681 г. Гюйгенсу приходится покинуть Париж — и, как оказалось, навсегда — главным образом из-за религиозных преследований, связанных с отменой нантского эдикта. Первый академик Франции отказывается от своего звания и возвращается на родину. Вернувшись в Гаагу, в дом своего отца, он вновь начинает заниматься астрономией и оптикой, пытается построить планетарий.

В 1690 г. появляется «Трактат о свете», который составил Гюйгенсу славу основателя волновой теории света. Согласно его представлениям, свет есть результат прохождения через упругий эфир ударных волн с чрезвычайно большой скоростью. Такой эфир состоит из весьма малых упругих частиц, плотно примыкающих друг к другу. Переноса материи при прохождении света через эфир не происходит, речь идет о передаче импульса, или «тенденции к движению». Каждая частица, получившая импульс, передает его соседним частицам, которые, в свою очередь, становятся источниками импульсов света. В результате каждая частица будет порождать сферическую волну. Волны, исходящие от отдельных частиц, слишком слабы, но когда бесконечное число таких волн перекрывается, возникает свет, т. е. огибающая фронтов волн всех частиц. Это и есть знаменитый принцип Гюйгенса. С его помощью Гюйгенс объяснил явления отражения и преломления, связав показатель преломления со скоростью света в различных средах. Триумфом волновой теории было объяснение двойного лучепреломления в исландском шпате.

Говоря об астрономических занятиях Гюйгенса, отметим, что он — автор одной из первых популярных книг по астрономии. Его «Космотеорос», опубликованный посмертно в 1698 г., пользовался большим успехом у читателей и в 1717 г. по указанию Петра I был переведен на русский язык.