13/05/2002

Более трехсот лет длилась эволюция маятниковых часов. Тысячи изобретений на пути к совершенству. Но в исторической памяти надолго останутся лишь те, кто поставил первую и последнюю точку в этой великой эпопее

Более трехсот лет длилась эволюция маятниковых часов. Тысячи изобретений на пути к совершенству. Но в исторической памяти надолго останутся лишь те, кто поставил первую и последнюю точку в этой великой эпопее.

Часы из телевизора
Перед любыми программами новостей на телевидении мы видим часы, секундная стрелка которых с большим достоинством отсчитывает последние мгновения до начала передачи. Этот циферблат - видимая часть айсберга под названием АЧФ-3, астрономические часы Федченко. Не каждый прибор носит имя конструктора, не обо всех изобретениях сообщают в энциклопедиях.

Часы Феодосия Михайловича Федченко удостоены такой чести. В любой другой стране об изобретателе подобного уровня знал бы каждый школьник. А у нас уже 11 лет назад тихо и скромно ушел из жизни выдающийся конструктор и никто о нем даже вспоминает. Почему? Наверное, в свое время был упрям, не умел льстить и лицемерить, что так не нравилось чиновникам от науки.
Помогла изобрести Федченко знаменитые часы случайность. Одна из тех загадочных случайностей, которая так украшает историю науки.

Две первые точки в истории маятниковых часов поставили два великих ученых - Галилео Галилей и Христиан Гюйгенс независимо друг от друга, создавшие часы с маятником, причем открытие законов колебания маятника пришло к Галилею тоже случайно. Кому-то на голову упадет кирпич -и ничего, даже сотрясения мозга не произойдет, а другому достаточно простого яблока, чтобы разбудить дремавшую в подсознании мысль для открытия закона всемирного тяготения. Великие случайности происходят, как правило, с великими личностями.

В 1583 году в Пизанском соборе любознательный юноша по имени Галилео Галилей не столько слушал проповедь, сколько любовался движением люстр. Наблюдения за светильниками показались ему интересными и, вернувшись домой, девятнадцатилетний Галилей изготовил опытную установку для исследования колебаний маятников - свинцовых шариков, укрепленных на тонких нитях. Собственный пульс служил ему хорошим секундомером.

Так, экспериментальным путем, Галилео Галилей открыл законы колебания маятника, которые сегодня изучают в каждой школе. Но Галилей в то время был слишком молод, чтобы думать о внедрении в жизнь своего изобретения. Вокруг столько интересного, надо спешить. И только в конце жизни, старый, больной и слепой старик, вспомнил о своих юношеских опытах. И его осенило - приставить к маятнику счетчик колебаний, - и получатся точные часы! Но силы Галилея были уже не те, ученый смог сделать только чертеж часов, завершил же работу его сын Винченцо, который вскоре умер и широкой огласки создание маятниковых часов Галилеем не получило.

Впоследствии Христиану Гюйгенсу всю жизнь необходимо было доказывать, что именно ему принадлежит честь создания первых маятниковых часов. По этому поводу в 1673 году он писал:
"Некоторые утверждают, что Галилей пытался сделать это изобретение, но не довел дело до конца; эти лица скорее уменьшают славу Галилея, чем мою, так как выходит, что я с большим успехом, чем он, выполнил ту же задачу".

Не так уж важно кто из этих двух великих ученых "первее" в деле создания часов с маятником. Гораздо значительнее то, что Христиан Гюйгенс не просто изготовил очередной тип часов, он создал науку хронометрию. С этого времени в деле конструирования часов был наведен порядок. "Лошадь" (практика) уже не бежала впереди "паровоза" (теории). Идеи Гюйгенса воплощал в жизнь парижский часовой мастер Исаак Тюре. Так увидели свет часы с различными конструкциями маятников, изобретенных Гюйгенсом.

Начало "карьеры" учителя физики
Феодосии Михайлович Федченко, родившийся в 1911 году ничего не знал о страстях по маятнику трехсотлетней давности. Да и вообще о часах он не думал. Его "карьера" началась в бедной сельской школе. Простой учитель физики вынужден был стать невольным изобретателем. Как же иначе, не имея должного оборудования, объяснить любознательным детишкам основополагающие законы природы.

Талантливый педагог конструировал сложные демонстрационные установки и, вероятно, его уроки школьники не пропускали. Война внесла коррективу в судьбу молодого изобретателя, Федченко стал незаурядным механиком танковых приборов. И вот первый звоночек судьбы - после окончания войны Феодосию Михайловичу предложили работу в Харьковском институте мер и измерительных приборов, в лаборатории, где среди научных тем была записана и такая: "Изыскание возможности увеличения точности хода часов со свободным маятником типа "Шорт"".

Его настольной книгой стал "Трактат о часах" Христиана Гюйгенса. Так заочно познакомился Ф. М. Федченко со своими знаменитыми предшественниками Христианом Гюйгенсом и Вильгельмом X. Шортом.

Предпоследняя точка в истории часов с маятником была поставлена английским ученым Вильгельмом X. Шортом. Правда, долгое время считалось, что создать часы с маятником точнее, чем часы Шорта невозможно. В 20-е годы XX века решили, что эволюция маятниковых приборов времени завершена. Каждая обсерватория не считалась достаточно оснащенной, если не имела астрономических часов Шорта, но платить за них приходилось золотом.

Один экземпляр часов Шорта приобрела Пулковская обсерватория. Английская фирма, установившая хранитель времени, запрещала к ним даже прикасаться, иначе снимала с себя всякую ответственность за настройку хитрого механизма. В 30-е годы Главной палате мер и весов в Ленинграде поручили разгадать секрет часов Шорта и начать изготавливать подобные устройства собственными силами. Талантливый метролог И. И. Кванберг долго разглядывал механизм часов через герметическое стекло цилиндра и попытался, не имея чертежей, изготовить копию. Копия была достаточно хорошей, но не идеальной. Всех английских тонкостей через стекло разглядеть было невозможно. Тем не менее, до войны на заводе "Эталон" было выпущено несколько экземпляров часов Кванберга.
Вот такую "простенькую" тему - изготовить часы точнее, чем это сделал Шорт - и поручили новичку Ф. М. Федченко, пришедшему после войны в харьковский институт.

Возвращение к истокам
Харьковский умелец установил, что еще в 1673 году Христиан Гюйгенс в "Трактате о часах" практически все сказал о том, как делать маятниковые часы. Оказывается, для того, чтобы часы были точными, необходимо, чтобы центр тяжести маятника в пространстве описывал не дугу окружности, а часть циклоиды: кривой, по которой движется точка на ободе колеса, катящегося по дороге. В этом случае колебания маятника будут изохронными, не зависящими от амплитуды. Сам Гюйгенс теоретически все обосновавший, пытался достичь цели, делая тысячи изобретений, но к идеалу не приблизился.

Последователи Гюйгенса, в том числе и Шорт, добивались точности другим путем -максимально изолировали маятник от внешних влияний, помещая точные часы глубоко в подвал, в вакуум, где минимально изменяется вибрация, температура
Федченко же, захотел осуществить мечту Гюйгенса и создать изохронный маятник. Говорят, что все идеальное - просто. Так и Федченко всего на всего подвесил маятник на три пружины - две длинные - по бокам и одну короткую - в середине. Казалось бы, ничего особенного, но на пути к открытию, были тысячи опытов. Были перепробованы пружины толстые и тонкие, длинные и короткие, плоские и с переменным сечением. Пять долгих лет терпеливой и кропотливой работы, неверие коллег, на него уже просто перестали обращать внимание и вдруг счастливый случай, благодаря элементарной ошибке в сборке подвеса.

Несколько винтов плохо закрутили, и подвес повел себя так, что маятник начал совершать изохронные колебания. Опыты проверяли и перепроверяли, все оставалось по-прежнему. Трех пружинный подвес маятника решал задачу Гюйгенса - при изменении амплитуды колебания, период оставался неизменным.
Столица, конечно, переманила талантливого изобретателя. В 1953 году Ф.М. Федченко перевели в Москву, в лабораторию маятниковых приборов времени создававшегося Всесоюзного научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений.

Конечно, в Харькове это не понравилось. Федченко нанесли удар ниже пояса, - не отдали высокоточный импортный станок, стоивший громадных денег. В Москву изобретатель привез только три экземпляра первых опытных часов АЧФ-1. Для продолжения работы станок был необходим, в магазинах страны подобное оборудование не продавали. У частников, с трудом, но можно было найти нужный станок, и Федченко нашел. Но как платить? Наличные деньги в государственном учреждении не выдавали, тем более такую сумму -одиннадцать тысяч рублей.

Отчаявшийся Федченко, понимая, что без прецизионного оборудования он, как без рук, пошел на настоящую авантюру. Он напрямую обратился к управляющему Госбанка и нашел такие убедительные слова о значение своего изобретения, что умный и смелый человек, профессионал в своем деле, поверив мастеру, выдал ему нужную сумму наличными, в качестве документа потребовав просто расписку. Это один из примеров "очевидного, но невероятного".

Еще несколько десятилетий совершенствовали механизм астрономических часов Федченко, пока не появилась знаменитая модель - "АЧФ-3", принесшая славу, как автору, так и стране. Высокоточные часы демонстрировались на Всемирной выставке в Монреале, награждены медалями ВДНХ; описания часов включены в энциклопедии и в различные серьезные издания по хронометрии.

Блеск и трагедия изобретения Федченко
Ф. М. Федченко - создал высокоточные электронно-механические маятниковые часы в то время, когда уже начали появляться кварцевые, молекулярные и атомные приборы времени. Эти системы нельзя сравнивать. Каждая выполняет свои конкретные задачи и в своей области незаменима. Но, к сожалению, не все это понимают. Феодосии Михайлович Федченко никогда не был обделен вниманием ученых, своих коллег. Но вот чиновники, от которых часто зависит как судьба самого изобретателя, так и его изобретения, не всегда ведают, что творят.

В Госстандарте СССР относились к знаменитому конструктору прохладно. В 1973 году ВНИИФТРИ предложил выплатить изобретателю достойное вознаграждение за более чем двадцатипятилетнюю работу по созданию отечественных астрономических часов, принесших стране громадный экономический эффект и независимость от импорта прецизионных часовых механизмов. В Госстандарте сочли возможным урезать предложенное вознаграждение в 9 раз, сославшись на то, что "точность хода часов АЧФ-3 ниже действующих атомных часов". Конечно, ниже. Но атомные часы одни на всю страну, их обслуживает целый коллектив сотрудников, это Государственный эталон времени и частоты, а у часов Федченко совершенно другое назначение - это хранители времени. До сих пор часами Федченко оснащены многие телецентры, аэропорты, космодромы, обсерватории.

Разве кто-нибудь додумается сравнивать по скорости велосипед и космическую ракету. А в Госстандарте сравнили маятниковые часы Федченко, дающие погрешность в одну секунду за 15 лет с атомными часами, ошибающимися на ту же секунду за триста тысяч лет. Оценивать можно только аналогичного класса системы. Например, часы Федченко по сравнению с часами Шорта, намного дешевле, экономичнее, надежнее, удобнее в эксплуатации и на порядок точнее. Не будем обращать внимания на недальновидных и недобросовестных чиновников всех рангов. Главное, запомним, и будем гордиться, что наш соотечественник Феодосии Михайлович Федченко поставил последнюю точку в развитии маятниковых часов. Послушайте, как это гордо звучит - от Галилея и Гюйгенса до Федченко!

Мастер, конечно, знал цену себе и знал, что найдутся злопыхатели, которые попытаются умалить значение его изобретения. Чтобы не забыли о деле всей его жизни, Федченко сам пришел в 1970 году в Политехнический музей с предложением принять в дар и экспонировать часы его конструкции. Сегодня в маленьком зале московского музея можно увидеть многие шедевры часового искусства, в том числе и часы - изобретателя с большой буквы - Феодосия Михайловича Федченко

Христиан Гюйгенс фон Цюйлихен — сын голландского дворянина Константина Гюйгенса, родился 14 апреля 1629 года. «Таланты, дворянство и богатство были, по-видимому, наследственными в семействе Христиана Гюйгенса», — писал один из его биографов. Его дед был литератор и сановник, отец — тайный советник принцев Оранских, математик, поэт.

Верная служба своим государям не закрепощала их талантов, и, казалось, Христиану предопределена та же, для многих завидная судьба. Он учился арифметике и латыни, музыке и стихосложению. Генрих Бруно, его учитель, не мог нарадоваться своим четырнадцатилетним воспитанником:

«Я признаюсь, что Христиана надо назвать чудом среди мальчиков... Он развертывает свои способности в области механики и конструкций, делает машины удивительные, но вряд ли нужные». Учитель ошибался: мальчик все время ищет пользу от своих занятий. Его конкретный, практический ум скоро найдет схемы как раз очень нужных людям машин.

Впрочем, он не сразу посвятил себя механике и математике. Отец решил сделать сына юристом и, когда Христиан достиг шестнадцатилетнего возраста, направил его изучать право в Лондонский университет.

Занимаясь в университете юридическими науками, Гюйгенс в то же время увлекается математикой, механикой, астрономией, практической оптикой. Искусный мастер, он самостоятельно шлифует оптические стекла, совершенствует трубу, с помощью которой позднее совершит свои астрономические открытия.

Христиан Гюйгенс был непосредственным преемником Галилея в науке. По словам Лагранжа, Гюйгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея». Существует рассказ о том, как в первый раз Гюйгенс соприкоснулся с идеями Галилея. Семнадцатилетний Гюйгенс собирался доказать, что брошенные горизонтально тела движущейся по параболам, но, обнаружив доказательство в книге Галилея, не захотел «писать «Илиаду» после Гомера».

Окончив университет, он становится украшением свиты графа Нассауского, который с дипломатическим поручением держит путь в Данию. Графа не интересует, что этот красивый юноша — автор любопытных математических работ, и он, разумеется, не знает, как мечтает Христиан попасть из Копенгагена в Стокгольм, чтобы увидеть Декарта. Так они не встретятся никогда: через несколько месяцев Декарт умрет.

В 22 года Гюйгенс публикует «Рассуждения о квадрате гиперболы, эллипса и круга». В 1655 году он строит телескоп и открывает один из спутников Сатурна — Титан и публикует «Новые открытия в величине круга». В 26 лет Христиан пишет записки по диоптрике. В 28 лет выходит его трактат «О расчетах при игре в кости», где за легкомысленным с виду названием скрыто одно из первых в истории исследований в области теории вероятностей.

Одним из важнейших открытий Гюйгенса было изобретение часов с маятником. Он запатентовал свое изобретение 16 июля 1657 года и описал его в небольшом сочинении, опубликованном в 1658 году. Он писал о своих часах французскому королю Людовику XIV: «Мои автоматы, поставленные в ваших апартаментах, не только поражают вас всякий день правильным указанием времени, но они годны, как я надеялся с самого
начала, для определения на море долготы места». Задачей создания и совершенствования часов, прежде всего маятниковых. Христиан Гюйгенс занимался почти сорок лет: с 1656 по 1693 год. А. Зоммерфельд назвал Гюйгенса «гениальнейшим часовым мастером всех времен».

В тридцать лет Гюйгенс раскрывает секрет кольца Сатурна. Кольца Сатурна были впервые замечены Галилеем в виде двух боковых придатков, «поддерживающих» Сатурн. Тогда кольца были видны, как тонкая линия, он их не заметил и больше о них не упоминал. Но труба Галилея не обладала необходимой разрешающей способностью и достаточным увеличением. Наблюдая небо в 92-кратный телескоп. Христиан обнаруживает, что за боковые звезды принималось кольцо Сатурна. Гюйгенс разгадал
загадку Сатурна и впервые описал его знаменитые кольца.

В то время Гюйгенс был очень красивым молодым человеком с большими голубыми глазами и аккуратно подстриженными усиками. Рыжеватые, круто завитые по тогдашней моде локоны парика опускались до плеч, ложась на белоснежные брабантские кружева дорогого воротника. Он был приветлив и спокоен. Никто не видел его особенно взволнованным или растерянным, торопящимся куда-то, или, наоборот, погруженным в медлительную задумчивость. Он не любил бывать в «свете» и редко там появлялся, хотя его происхождение открывало ему двери всех дворцов Европы. Впрочем, когда он появляется там, то вовсе не выглядел неловким или смущенным, как часто случалось с другими учеными.

Но напрасно очаровательная Нинон де Ланкло ищет его общества, он неизменно приветлив, не более, этот убежденный холостяк. Он может выпить с друзьями, но чуть-чуть. Чуть-чуть попроказить, чуть-чуть посмеяться. Всего понемногу, очень понемногу, чтобы осталось как можно больше времени на главное — работу. Работа — неизменная всепоглощающая страсть — сжигала его постоянно.

Гюйгенс отличался необыкновенной самоотдачей. Он сознавал свои способности и стремился использовать их в полной мере. «Единственное развлечение, которое Гюйгенс позволял себе в столь отвлеченных трудах, — писал о нем один из современников, — состояло в том, что он в промежутках занимался физикой. То, что для обыкновенного человека было утомительным занятием, для Гюйгенса было развлечением»

В 1663 году Гюйгенс был избран членом Лондонского Королевского общества. В 1665 году, по приглашению Кольбера, он поселился в Париже и в следующем году стал членом только что организованной Парижской Академии наук.

В 1673 году выходит в свет его сочинение «Маятниковые часы», где даны теоретические основы изобретения Гюйгенса В этом сочинении Гюйгенс устанавливает, что свойством изохронности обладает циклоида, и разбирает математические свойства циклоиды

Исследуя криволинейное движение тяжелой точки, Гюйгенс, продолжая развивать идеи, высказанные еще Галилеем, показывает, что тело при падении с некоторой высоты по различным путям приобретает конечную скорость, не зависящую от формы пути, а зависящую лишь от высоты падения, и может подняться на высоту, равную (в отсутствие сопротивления) начальной высоте. Это положение, выражающее по сути дела закон
сохранения энергии для движения в поле тяжести, Гюйгенс использует для теории физического маятника. Он находит выражение для приведенной длины маятника, устанавливает понятие центра качания и его свойства. Формулу математического маятника для циклоидального движения и малых колебаний кругового маятника он выражает следующим образом:

«Время одного малого колебания кругового маятника относится к времени падения по двойной длине маятника, как окружность круга относится к диаметру»

Существенно, что в конце своего сочинения ученый дает ряд предложений (без вывода) о центростремительной силе и устанавливает, что центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу окружности Этот результат подготовил ньютоновскую теорию движения тел под действием центральных сил.

Из механических исследований Гюйгенса, кроме теории маятника и центростремительной силы, известна его теория удара упругих шаров, представленная им на конкурсную задачу, объявленную Лондонским Королевским обществом в 1668 году. Теория удара Гюйгенса опирается на закон сохранения живых сил, количество движения и принцип относительности Галилея. Она была опубликована лишь после его смерти в 1703 году

Гюйгенс довольно много путешествовал, но никогда не был праздным туристом. Во время первой поездки во Францию он занимался оптикой, а в Лондоне ~ объяснял секреты изготовления своих телескопов. Пятнадцать лет он проработал при дворе Людовика XIV, пятнадцать лет блестящих математических и физических исследований. И за пятнадцать лет — лишь две короткие поездки на родину, чтобы подлечиться.

Гюйгенс жил в Париже до 1681 года, когда после отмены Нантского эдикта он, как протестант, вернулся на родину. Будучи в Париже, он хорошо знал Рёмера и активно помогал ему в наблюдениях, приведших к определению скорости света. Гюйгенс первый сообщил о результатах Рёмера в своем трактате.

Дома, в Голландии, опять не зная усталости, Гюйгенс строит механический планетарий, гигантские семидесятиметровые телескопы, описывает миры других планет.

Появляется сочинение Гюйгенса на латинском языке о свете, исправленное автором и переизданное на французском языке в 1690 году «Трактат о свете» Гюйгенса вошел в историю науки как первое научное сочинение по волновой оптике В этом «Трактате» сформулирован принцип распространения волны, известный ныне под названием принципа Гюйгенса На основе этого принципа выведены законы отражения и преломления света, развита теория двойного лучепреломления в исландском шпате Поскольку скорость распространения света в кристалле в различных направлениях различна, то форма волновой поверхности будет не сферической, а эллипсоидальной.

Теория распространения и преломления света в одноосных кристаллах — замечательное достижение оптики Гюйгенса. Гюйгенс описал также исчезновение одного из двух лучей при прохождении их через второй кристалл при определенной ориентировке его относительно первого. Таким образом, Гюйгенс был первым физиком, установившим факт поляризации света.

Идеи Гюйгенса очень высоко ценил его продолжатель Френель. Он ставил их выше всех открытий в оптике Ньютона, утверждая, что открытие Гюйгенса, «быть может, труднее сделать, нежели все открытия Ньютона в области явлений света».

Цвета Гюйгенс в своем трактате не рассматривает, равно как и дифракцию света. Его трактат посвящен только обоснованию отражения и преломления (включая и двойное преломление) с волновой точки зрения. Вероятно, это обстоятельство было причиной того, что теория Гюйгенса, несмотря на поддержку ее в XVIII веке Ломоносовым и Эйлером, не получила признания до тех пор, пока Френель в начале XIX веке не воскресил волновую теорию на новой основе.

Умер Гюйгенс 8 июня 1695 года, когда в типографии печаталась «КосМотеорос» — последняя его книга.

В 1644 г. из Гвинеи, расположенной на юге Западной Африки, в Англию отправилась эскадра из четырех кораблей. Помимо перевозки груза на моряков была возложена и чисто научная задача: во время плавания с возможно большей точностью определять координаты кораблей.

Христиан Гюйгенс (1629-1695)

Достигнув острова Святого Фока, лежащего вблизи экватора (найдите этот остров на карте), командир эскадры приступил к проведению эксперимента. Первым делом он выставил по Солнцу новые, дотоле никому неизвестные часы, изготовленные по особому патенту.

Обогнув остров и пройдя курсом на запад 700 миль, эскадра вновь повернула к Африке, чему способствовал сильный юго-западный ветер. Через 250 миль такого курса с командиром эскадры с помощью сигнальных флажков связались капитаны трех других судов, настоятельно советуя изменить курс и направиться к острову Барбадос, расположенному восточнее Малых Антильских островов, для пополнения запасов пресной воды.

Совет капитанов несколько озадачил командира эскадры, и он пригласил их к себе на флагманский корабль, попросив взять с собой судовые журналы и расчеты по определению местоположения эскадры. На совещании выяснилось, что расчёты всех капитанов сильно расходятся между собой - до 100 миль и более.

После недолгих, но горячих споров командир эскадры, в большей степени доверяя новым часам и собственным выкладкам, принял единоличное решение: лечь курсом на ближайший из островов. На следующий день расчёты командира блестяще подтвердились: в точно определённое время эскадра достигла намеченной точки, и корабли бросили якоря у берегов острова дель Фуэго.

Командир эскадры составил подробный отчёт по прибытию в Англию обо всём, что произошло. То была, по существу, первая беспристрастная, независимая экспертиза новых морских часов, изобретённых голландским ученым Христианом Гюйгенсом .

Но в чём был секрет изобретения? Что обеспечило повышенную точность новым часам и позволило командиру эскадры с минимальной ошибкой определить свои координаты в дальнем морском плавании?

Прежде чем ответить на эти вопросы, сделаем небольшой исторический экскурс по проблеме исчисления времени.

Первые часы - солнечные - появились в Китае и Древнем Египте. Затем человечество обзавелось водяными и песочными часами. Механические часы - стенные с гиревым заводом и ручные с пружинным - были изобретены в средние века. В России часы с гиревым заводом были установлены на одной из башен Московского Кремля в ХV веке.

Общий недостаток первых механических часов - их низкая точность из-за сильной зависимости скорости хода от температуры воздуха, степени загустевания масла в опорах и других причин.

Например, такие часы днём в жаркую погоду шли заметно быстрее, чем ночью. Вместе с тем потребность человечества в существенном улучшении точности показания часов, в первую очередь, для целей мореплавания, ведения военных действий и астрономии, все более возрастала.

Для поощрения изобретателей в XVII веке были установлены даже высокие денежные премии (Так, в Англии - 20000 фунтов стерлингов) для тех, кто повысит точность механических часов.

И вот за решение данной проблемы после окончания Лейденского университета взялся молодой Христиан Гюйгенс.

Сила его таланта состояла в том, что в одном лице соединились глубокий теоретик и искусный изобретатель, что и помогло ему найти оригинальное решение, позволившее существенно повысить точность механических часов.

Сущность идеи Гюйгенса состояла в применении в часах в качестве устройства, обеспечивающего их равномерный ход, маятника. С этой идеей современный человек вполне свыкся. Но её рождение по своему воздействию на дальнейший ход технического прогресса неоценимо.

После получения в 1657 г. патента на своё изобретение Гюйгенс раскрыл устройство новых часов с маятником в опубликованной им брошюре. И вот тут-то на молодого учёного и свалились напасти: его обвинили чуть ли не в плагиате.

Поведаем кратко эту малоприятную, но весьма поучительную историю о том, каким необоснованным нападкам порой подвергается учёный, сделавший выдающееся открытие и вместо ожидаемой благодарности вынужденный отбиваться от порочащих его слухов и домыслов.

А произошло следующее. Брошюра Гюйгенса через год после её издания в Нидерландах попала во Флоренцию - на родину Галилея, который, как вспомнили его ученики, ещё в 1641 г., т.е. за 16 лет до Гюйгенса, пришёл к той же идее об использовании в часах маятника.

По преданию, подобная мысль осенила учёного, когда он во время мессы наблюдал качание люстры в Пизанском соборе. В 1642 г. Галилей умер, не реализовав своей идеи, но успев передать чертеж сыну Винченцо и наказ изготовить часы с маятником.

Но сын не успел выполнить последнюю волю отца, внезапно скончавшись в 1649г. Другие же ученики Галилея, не оценив в должной мере великую идею своего учителя, так и не приступили к её реализации. Одним словом, чертежи Галилея мертвым грузом осели в Италии.

Но когда брошюра Гюйгенса достигла Флоренции, то местные патриоты забеспокоились, а не заимствована ли идея часов с маятником голландским учёным у их гениального соотечественника. И вот против Гюйгенса выдвигается обвинение в возможном плагиате.

Полный абсурд и нелепость! Ибо, как мог Гюйгенс, никогда не встречавшийся с Галилеем, видеть чертёж, выполненный в единственном экземпляре и хранившийся во Флоренции.

В неприятной для него ситуации Гюйгенс повёл себя весьма достойно: он не стал отрицать первенства Галилея в изобретении часов с маятником, но доказал и полную самостоятельность своего изобретения.

Поэтому в историю техники маятниковые часы вошли под двойным именем: Галилея-Гюйгенса . Правда, не будем при этом забывать, что идею Галилея его ученики благополучно схоронили, а вот Гюйгенс сумел воплотить свою в жизнь.

Гюйгенс упорно, на протяжении всей жизни совершенствовал конструкцию своих маятниковых часов с целью повышения их точности и удобства эксплуатации.

И как учёный, и как великий изобретатель Гюйгенс был признан при жизни. Свидетельством такого признания было его избрание членом Парижской Академии наук и дружба с великими современниками - Лейбницем и Паскалем .

Совсем иначе, куда более трагично, сложилась жизнь другого изобретателя маятника - Галилео Галилея . Поэтому позволим себе более подробно остановиться на самом горестном событии в жизни учёного.

20 июня 1633г. Галилею - гражданину Флоренции, учёному, чье имя было известно не только в Италии, но и во всей Европе, - было предписано явиться в инквизиционный суд в Риме. На следующий день он исполнил это приказание, после чего был задержан и допрошен. (До сих пор доподлинно неизвестно велся ли допрос с пристрастием, т.е. с применением пыток, или нет).

22 июня Галилея препроводили в церковь «Санта Мария» и он предстал перед лицом кардиналов католической церкви и прелатов конгрегации - высшего суда инквизиции. Стоя на коленях, в одной рубашке перед своими судьями при большом стечении народа, в зловещей обстановке 70-летний старец выслушал суровый приговор кардиналов.

Приведём в переводе на русский язык выдержки из этого интереснейшего исторического документа.

Приговор кардиналов над Галилеем

«Мы [далее идёт перечисление фамилий семи судей], Божию милостью диаконы и кардиналы святой римской церкви, от апостольского престола наряженные генеральными инквизиторами против всякого еретического развращения, могущего появиться во вселенском христианском обществе.

Поелику ты Галилей…, имеющий 70 лет от роду, в 1615 году был обвинён в сем св. судилищем в том, что считаешь за истину и распространяешь в народе лжеучение, по которому Солнце находится в центре мира неподвижно, Земля же движется на оси суточным вращением; в том, что ты имел многих учеников, которым преподавал это самое учение…

Вследствие сего, сим святым судилищем (инквизицией), желающим оградить людей от вреда и соблазна, которые происходили от твоего поведения и угрожали чистоте Св. веры, по приказанию нашего господина и высокопреосвященнейших господ кардиналов сей верховной и всемирной инквизиции, была подвергнута обсуждению коперникова гипотеза о неподвижности Солнца и движении Земли, и учёные богословы постановили следующие два положения:

…В прошлом же 1632 году появилась книга, изданная во Флоренции, заглавие которой показывает что ты её автор… Из напечатания этой книги Св. конгрегация узнала, что ложное учение о движении Солнца с каждым днём всё более и более крепнет; по этому вышеназванная книга, по тщательном её рассмотрении, обнаружила, что ты явно преступил сделанное тебе внушение и продолжал защищать мнения проклятые и осужденные церковью. В сказанной книге ты разными способами ухищряешься представить вопрос не вполне решённым, а мнение Коперника весьма вероятным, но уже и это есть страшное заблуждение, так как ни коим образом не может быть вероятным то, что Св. церковь окончательно признала ложным и противным божественному писанию…..

Но дабы столь тяжкий и вредоносный грех твой и ослушание не осталось без всякой мзды, и ты впоследствии не сделался бы дерзновеннее, а напротив, послужил бы примером и предостережением для других, мы положили: запретить книгу под заглавием «Разговоры» Галилея, а тебя самого заключить в тюрьму Св. судилища на неопределенное время. Для спасительного же покаяния твоего предписываем, чтобы в продолжение трёх лет, однажды в неделю, ты прочитывал семь покаянных псалмов…

Так мы говорим, произносим, объявляем приговор, постановляем, присуждаем, властью нам данною, наилучшим образом и по крайнему нашему разумению.

Так присудили мы, нижеподписавшиеся кардиналы» .

Попутно заметим, что суд над Галилеем свершался с благословения папы Урбана VIII. Чтобы лучше понять смысл приведенного приговора, касающегося осуждения Галилея и «ниспровержения» гелиоцентрической системы мира, обратимся к событиям, примерно, на 100 лет более ранним.

В 1512г. польский католический священник Коперник - искусный врач и знаток астрономии - был приглашен в Рим для участия в работе комиссии по реформе календаря.

Сначала Коперник пытался усовершенствовать геоцентрическую систему мира Птолемея, главным постулатом которой являлась гипотеза о Земле, как неподвижном центре мира, вокруг которого вращается Солнце и планеты.

В процессе долгой и кропотливой работы Коперник пришёл к выводу, что значительно более точные результаты при расчёте календаря даёт гелиоцентрическая система мира, согласно которой центром Вселенной является Солнце, вокруг которого вращается Земля и другие планеты.

Результаты своего титанического сорокалетнего труда Коперник изложил в сочинении «Об обращениях небесных тел» , изданном в 1543 г. за несколько месяцев до своей кончины.

Несмотря на то, что римские прелаты легко создавали религиозное дело из научных открытий, они поначалу не придали особого значения теории Коперника и поэтому его книга долгое время находилась в свободном обращении, тем более, что она была посвящена папе Павлу III.

Познакомился с теорией Коперника и Галилей, став её твердым сторонником и открыто высказываясь в её защиту.

Гипотеза Коперника, подкрепленная открытиями Галилея, - Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, - находила всё больше приверженцев в среде учёных, преподающих в университетах Европы, и даже среди духовенства. И тогда римская курия решила дать решительный бой сторонникам гелиоцентрической теории и уничтожить богопротивную, по их мнению, книгу Коперника, породившую ересь.

Галилея предупредили, чтобы он излагал учение Коперника как математическую теорию, а не как отражение физической реальности. В противном случае учёный может не избежать должной кары за сознательное распространение ереси.

Естественно возникает вопрос: почему католические богословы так опасались теории Коперника, какая была для них разница - Солнце вращается вокруг Земли или Земля вокруг Солнца, как это могло повредить религиозному восприятию мира? Могло, по их мнению, и даже весьма сильно!

Догмат католической церкви по данной проблеме сводился к следующему: человек является предметом попечений божества и по сему, обитая на Земле, должен стоять в центре мироздания. Поэтому Земля и только Земля, опекаемая Богом, а не какое-либо иное небесное тело, является центром Вселенной!

Данный догмат опирался на два места из Священного писания: на слова Иисуса Навина «Стой Солнце и не движись Земля» и возглас Давида «Земля да не подвижется в века».

С признанием же теории Коперника-Галилея (Земля вращается вокруг Солнца) рушилось понимание божественного мироздания, что для иерархов католической церкви было непереносимо тяжело, оскорбительно и с чем они никак не могли согласиться. Отсюда и проистекает такое твердолобое отстаивание ими догмата - Солнце и все остальные планеты вращаются вокруг Земли.

Первую «победу» самонадеянные и невежественные богословы одержали в марте 1616г, когда конгрегация запрещённых книг при римском папе (по-современному, цензурный комитет) приняла следующий декрет: «Ложное пифагорийское учение о движении Земли и неподвижности Солнца, как философски нелепое и вполне еретическое объявляется противным Сященному писанию».

Три подписи стояли под этим декретом, но подписи самого папы Павла V под ним не было. Следствием декрета явилось запрещение книги Коперника через 73 года после её выхода в свет и изъятие из обращения до тех пор пока в ней не будут исправлены те места, где его учение (Солнце - центр Вселенной) выражено не в смысле гипотезы, а как несомненная истина. (Заметим, что это запрещение было отменено католической церковью только 266 лет спустя в 1882г).

Галилей, однако, не смирился с папским декретом, продолжая отстаивать справедливость научного открытия Коперника.

Вот что он писал по данной проблеме, оставаясь человеком религиозным и верным католической вере: «Священное писание всегда несомненно истинно и служит полнейшим авторитетом в вопросах веры, но его таинственная глубина, часто не проницаема для нашего слабого разума, и крайне заблуждаются те, кто ищет в нём объяснения физических явлений, которых там нет и которых без изучения природы нельзя понять» .

Более того, Галилей продолжал развивать теорию Коперника и после долгих проволочек, преодолев рогатки папской цензуры, издал книгу «Разговоры о двух величайших мировых системах: Птоломеевой и Коперниковой» (Сокращенно «Разговоры»).

Гнев католических прелатов после выхода в свет этой книги не знал границ, следствием чего явился созыв инквизиционного суда, вынесшего приведенный выше приговор, из которого следовало:

1) Земля - неподвижный центр Вселенной и все, кто не согласны с этим, - еретики;

2) Галилей, распространявший еретическое учение Коперника, достоин наказания.

Однако одним приговором дело не ограничилось. Галилея прилюдно заставили отречься и от учения Коперника, и от его собственной книги.

Вот небольшая выдержка из этого отречения, переведённого на русский язык:

«Я, Галилело Галилей,….на семидесятом году моей жизни, лично предстоя перед судом, преклонив колени перед вами, высокие и достопочтенные господа кардиналы вселенской христианской республики и против еретического развращения всеобщие инквизиторы, имея перед очами Священное евангелие, которого касаюсь собственными руками, клянусь, что всегда веровал, теперь верую и, при помощи Божией, впредь буду верить во всё, что содержит, что проповедует и чему учит святая католическая и апостольская церковь… Я признан находящимся под сильным подозрением в ереси, т.е., что думаю и верю, будто Солнце есть центр Вселенной и неподвижно, Земля же - не центр и движется.

По сему, желая изгнать из мыслей ваших высокопочтенные господа кардиналы, равно как и из ума всякого истинного христианина, это подозрение, законно на меня возбуждённое, от чистого сердца и с непритворною верою отрекаюсь, проклинаю, начинаю ненавидеть вышеназванную ересь и заблуждение… Кроме того, клянусь и обещаю уважать и строго исполнять все наказания и исправления, которое наложило или наложит на меня сие Святое судилище…» .

В буквальном смысле слова, полная и безоговорочная капитуляция великого учёного перед невежественными, самонадеянными и жестокими людьми.

Любому человеку горько и невыносимо тяжело отрекаться от своих убеждений. Но иного выхода у Галилея не было, ибо Римская инквизиция от своих чад требовала полной покорности. В противном случае Галилея ждала участь Джордано Бруно и других знаменитых учёных, подвергшихся истязаниям и сожжению на костре.

И только неисправимые лицемеры могли бросить упрёк великому учёному и мужественному человеку Галилео Галилею в том, что он вынужден был принять отречение и не стать мучеником. Да и какая была бы польза для потомков, если бы Галилей сгорел на костре?

После суда и отречения Галилей прожил ещё девять лет, оставаясь узником инквизиции. Место пребывания ему, однако, было определено не в тюрьме, а на его вилле Арчетри вблизи Флоренции, где он и умер 8 января 1642 года.

Так в уединении под неусыпным оком инквизиции закончилась жизнь величайшего физика, астронома и философа, заложившего основы современной механики.

Справедливости ради следует сказать, что в 1992г. римский папа Иоанн Павел II объявил решение суда инквизиции от 22 июня 1633г. ошибочным, полностью реабилитировал Галилея спустя почти 360 лет после его осуждения и публично принёс учёному посмертные извинения.

А теперь исследуем работу маятниковых часов (рис.1) или, точнее, колебания маятника, изобретателями которого по праву можно считать двух великих учёных - Гюйгенса и Галилея.

Без учёта трения оси во втулке и сопротивления воздуха такие колебания описываются дифференциальным уравнением:

где g - ускорение силы тяжести, m - масса маятника.

Из (1) с учётом (2) получим:

При малой амплитуде колебаний маятника Θ М <<1 можно принять sinΘ = Θ и тогда уравнение (3) преобразуется к виду:

Из (6) легко определить длину маятника при заданном периоде колебаний:

Из (7) при Т=1с и g = 9,80665 м/с 2 получим для требуемой длины маятника: L = 0,248405 м.

Итак, колебания маятника в более точной, нелинейной модели, описываются нелинейным дифференциальным уравнением (3), решить которое можно только численным путём.

При малой амплитуде колебаний возможна замена нелинейного уравнения на линейное (5), решение которого определяется аналитическим путем.

Результаты расчёта по обоим вариантам представлены на рис.2, где по оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат - угол качания в радианах, сплошная линия AX относится к нелинейной модели, пунктирная AY - линейной.

Из построенных на рис.2 графиков следует, что при небольшой амплитуде колебаний Θ М = 0.1рад. (рис.2,а) периоды колебаний маятника при обеих моделях практически совпадают, а при увеличенном значении амплитуды Θ М = 1 рад. (рис.3,б) - расхождение существенно: уже на 6-ом периоде оно достигает величины, равной 0,5с колебаний. В линейной модели период колебаний занижен по сравнению с нелинейной.

а) при Θ М =0.1

б) при Θ М =1

Рис.2. AX, AY - углы качания в рад., t - время в секундах

В заключение отметим, что после доведения до совершенства маятниковых часов Галилея-Гюйгенса, следующим крупным шагом в повышении точности исчисления времени стало применение кварцевых часов.

"Сердцем" последних является кварцевый резонатор, обладающий высокими эталонными свойствами.

На смену кварцевым пришли ещё более точные квантовые часы, основой которых является молекулярный стандарт частоты. Погрешность наиболее совершенных квантовых часов с использованием излучения лазера составляет не более 1 секунды за несколько тысяч лет.

Задание

Если у вас есть старинные настенные часы с маятником, то измерьте его длину и результат сверьте с расчётом по формуле (7). При этом неизбежно расхождение между ними, поскольку при расчёте предполагается, что вся масса маятника сосредоточена в одной точке и угол качания мал.

В.И. Каганов , доктор технических наук, профессор МИРЭА

(1663), член Французской академии наук с момента её основания (1666) и её первый президент (1666-1681) .

Биография

Молодой Гюйгенс изучал право и математику в Лейденском университете , затем решил посвятить себя науке. В 1651 году опубликовал «Рассуждения о квадратуре гиперболы , эллипса и круга ». Вместе с братом он усовершенствовал телескоп , доведя его до 92-кратного увеличения, и занялся изучением неба. Первая известность пришла к Гюйгенсу, когда он открыл кольца Сатурна (Галилей их тоже видел, но не смог понять, что это такое) и спутник этой планеты, Титан .

В 1657 году Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. В последние годы жизни этот механизм пытался создать Галилей , но ему помешала прогрессирующая слепота. Часы на основе маятника пытались создать и другие изобретатели, однако надёжную и недорогую конструкцию, пригодную для массового применения, первым нашёл Гюйгенс, его часы реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода . Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал равномерные, незатухающие колебания. Сконструированные Гюйгенсом часы с маятником быстро получили широчайшее распространение по всему миру. В 1673 году под названием «Маятниковые часы» вышел чрезвычайно содержательный трактат Гюйгенса по кинематике ускоренного движения . Эта книга была настольной у Ньютона , который завершил начатое Галилеем и продолженное Гюйгенсом построение фундамента механики .

В 1661 году Гюйгенс совершил поездку в Англию. В 1665 году по приглашению Кольбера поселился в Париже , где в 1666 году была создана Парижская Академия наук . По предложению того же Кольбера Гюйгенс стал её первым президентом и руководил Академией 15 лет. В 1681 году, в связи с намеченной отменой Нантского эдикта , Гюйгенс, не желая переходить в католицизм, вернулся в Голландию, где продолжил свои научные исследования. В начале 1690-х годов здоровье учёного стало ухудшаться, он умер в 1695 году. Последним трудом Гюйгенса стал «Космотеорос», в нём он аргументировал возможность жизни на других планетах .

Научная деятельность

Математика

Научную деятельность Христиан Гюйгенс начал в 1651 году сочинением о квадратуре гиперболы , эллипса и круга . В 1654 году он разработал общую теорию эволют и эвольвент , исследовал циклоиду и цепную линию , продвинул теорию непрерывных дробей .

В 1657 году Гюйгенс написал приложение «О расчётах в азартной игре » к книге его учителя ван Схоотена «Математические этюды». Это было первое изложение начал зарождающейся тогда теории вероятностей . Гюйгенс, наряду с Ферма и Паскалем , заложил её основы, ввёл фундаментальное понятие математического ожидания . По этой книге знакомился с теорией вероятностей Якоб Бернулли , который и завершил создание основ теории .

Механика

В 1657 году Гюйгенс издал описание устройства изобретённых им часов с маятником . В то время учёные не располагали таким необходимым для экспериментов прибором, как точные часы. Галилей , например, при изучении законов падения считал удары собственного пульса. Часы с колесами, приводимыми в движение гирями, были в употреблении с давнего времени, но точность их была неудовлетворительна. Маятник же со времен Галилея употребляли отдельно для точного измерения небольших промежутков времени, причём приходилось вести счёт числу качаний. Часы Гюйгенса обладали хорошей точностью, и учёный далее неоднократно, на протяжении почти 40 лет, обращался к своему изобретению, совершенствуя его и изучая свойства маятника. Гюйгенс намеревался применить маятниковые часы для решения задачи определения долготы на море, но существенного продвижения не добился. Надёжный и точный морской хронометр появился только в 1735 году (в Великобритании) .

В 1673 году Гюйгенс опубликовал классический труд по механике «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica »). Скромное название не должно вводить в заблуждение. Кроме теории часов, сочинение содержало множество первоклассных открытий в области анализа и теоретической механики . Гюйгенс также проводит там квадратуру ряда поверхностей вращения. Это и другие его сочинения имели огромное влияние на молодого Ньютона .

В первой части труда Гюйгенс описывает усовершенствованный, циклоидальный маятник, который обладает постоянным временем качания независимо от амплитуды . Для объяснения этого свойства автор посвящает вторую часть книги выводу общих законов движения тел в поле тяжести - свободных, движущихся по наклонной плоскости, скатывающихся по циклоиде . Надо сказать, что это усовершенствование не нашло практического применения, поскольку при малых колебаниях повышение точности от циклоидального привеса незначительно. Однако сама методика исследования вошла в золотой фонд науки .

В третьей части сочинения излагается теория эволют и эвольвент , открытая автором ещё в 1654 году; здесь он находит вид и положение эволюты циклоиды . В четвёртой части излагается теория физического маятника; здесь Гюйгенс решает ту задачу, которая не давалась стольким современным ему геометрам, - задачу об определении центра качаний. Он основывается на следующем предложении :

Если сложный маятник, выйдя из покоя, совершил некоторую часть своего качания, большую полуразмаха, и если связь между всеми его частицами будет уничтожена, то каждая из этих частиц поднимется на такую высоту, что общий центр тяжести их при этом будет на той высоте, на которой он был при выходе маятника из покоя.

Это предложение, не доказанное у Гюйгенса, является у него в качестве основного начала, между тем как теперь оно представляет простое следствие закона сохранения энергии .

Теория физического маятника дана Гюйгенсом вполне в общем виде и в применении к телам разного рода. Гюйгенс исправил ошибку Галилея и показал, что провозглашённая последним изохронность колебаний маятника имеет место лишь приближённо. Он отметил также ещё две ошибки Галилея в кинематике : равномерное движение по окружности связано с ускорением (Галилей это отрицал), а центробежная сила пропорциональна не скорости, а квадрату скорости .

В последней, пятой части своего сочинения Гюйгенс дает тринадцать теорем о центробежной силе . Эта глава даёт впервые точное количественное выражение для центробежной силы, которое впоследствии сыграло важную роль для исследования движения планет и открытия закона всемирного тяготения . Гюйгенс приводит в ней (словесно) несколько фундаментальных формул :

Астрономия

Гюйгенс самостоятельно усовершенствовал телескоп; в 1655 году он открыл спутник Сатурна Титан и описал кольца Сатурна . В 1659-м он описал всю систему Сатурна в изданном им сочинении .

В 1672 году он обнаружил ледяную шапку на Южном полюсе Марса . Он подробно описал туманность Ориона и другие туманности, наблюдал двойные звёзды, оценил (довольно точно) период вращения Марса вокруг оси.

Последняя книга «ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae» (на латинском языке; опубликована посмертно в Гааге в 1698 году) - философско-астрономическое размышление о Вселенной. Полагал, что другие планеты также населены людьми. Книга Гюйгенса получила широчайшее распространение в Европе, где была переведена на английский (1698), голландский (1699), французский (1702), немецкий (1703), русский (1717) и шведский (1774) языки. На русский язык по указу Петра I была переведена Яковом Брюсом под названием «Книга мирозрения». Считается первой в России книгой, где излагается гелиоцентрическая система Коперника .

В этом труде Гюйгенс сделал первую (наряду с Джеймсом Грегори) попытку определить расстояние до звёзд. Если предположить, что все звёзды, включая Солнце, имеют близкую светимость, то, сравнивая их видимую яркость, можно грубо оценить отношение расстояний до них (расстояние до Солнца было тогда уже известно с достаточной точностью). Для Сириуса Гюйгенс получил расстояние в 28000 астрономических единиц , что примерно в 20 раз меньше истинного (опубликовано посмертно, в 1698 году) .

Оптика и теория волн

Гюйгенс участвовал в современных ему спорах о природе света. В 1678 году он выпустил «Трактат о свете

План:

Введение

• 1 Биография
• 2 Научная деятельность
  • 2.1 Математика и механика
  • 2.2 Астрономия
  • 2.3 Оптика и теория волн
  • 2.4 Другие достижения
• 3 Основные труды
• 4 Примечания
Литература
• 5.1 Сочинения Гюйгенса в русском переводе
• 5.2 Литература о нём

Введение

Портрет работы Каспара Нечера (1671), масло, музей Boerhaave, Лейден

Христиа́н Гю́йгенс (listen (инф.) ) ван Зёйлихем (нидерл. Christiaan Huygens , МФА: [ˈkrɪstijaːn ˈɦœyɣə(n)s] , 14 апреля 1629, Гаага - 8 июля 1695, там же) - нидерландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель.

1. Биография

Гюйгенс родился в Гааге. Отец его Константин Гюйгенс (Хёйгенс), тайный советник принцев Оранских, был замечательным литератором, получившим также хорошее научное образование.

Молодой Гюйгенс изучал право и математику в Лейденском университете, затем решил посвятить себя науке.

Вместе с братом он усовершенствовал телескоп, доведя его до 92-кратного увеличения, и занялся изучением неба. Первая известность пришла к Гюйгенсу, когда он открыл кольца Сатурна (Галилей их тоже видел, но не смог понять, что это такое) и спутник этой планеты, Титан.

В 1657 году Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. В последние годы жизни этот механизм пытался создать Галилей, но ему помешала прогрессирующая слепота. Часы Гюйгенса реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода. Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Сконструированные Гюйгенсом точные и недорогие часы с маятником быстро получили широчайшее распространение по всему миру.

В 1665 году по приглашению Кольбера поселился в Париже и был принят в число членов Академии наук. В 1666 году по предложению того же Кольбера становится её первым президентом. Гюйгенс руководил Академией 15 лет.

В 1673 году под названием «Маятниковые часы» выходит исключительно содержательный труд по кинематике ускоренного движения. Эта книга была настольной у Ньютона, который завершил начатое Галилеем и продолженное Гюйгенсом построение фундамента механики.

1681 год: в связи с намеченной отменой Нантского эдикта Гюйгенс, не желая переходить в католицизм, вернулся в Голландию, где продолжил свои научные исследования.

В честь Гюйгенса названы:

• кратер на Луне;
• гора Mons Huygens на Луне;
• кратер на Марсе;
• астероид 2801 Huygens ;
• европейский космический зонд, достигший Титана;
• Huygens Laboratory: лаборатория в Лейденском университете, Нидерланды.

2. Научная деятельность

Лагранж писал, что Гюйгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея» .

2.1. Математика и механика

Христиан Гюйгенс
Гравюра с картины Каспара Нечера работы Г. Эделинка, 1684-1687 гг.

Научную деятельность Христиан Гюйгенс начал в 1651 году сочинением о квадратуре гиперболы, эллипса и круга. В 1654 году он открыл теорию эволют и эвольвент.

В 1657 году Гюйгенс издал описание устройства изобретённых им часов с маятником. В то время учёные не располагали таким необходимым для экспериментов прибором, как точные часы. Галилей, например, при изучении законов падения считал удары собственного пульса. Часы с колесами, приводимыми в движение гирями, были в употреблении с давнего времени, но точность их была неудовлетворительна. Маятник же со времен Галилея употребляли отдельно для точного измерения небольших промежутков времени, причём приходилось вести счёт числу качаний. Часы Гюйгенса обладали хорошей точностью, и учёный далее неоднократно, на протяжении почти 40 лет, обращался к своему изобретению, совершенствуя его и изучая свойства маятника. Гюйгенс намеревался применить маятниковые часы для решения задачи определения долготы на море, но существенного продвижения не добился. Надёжный и точный морской хронометр появился только в 1735 году (в Великобритании).

В 1673 году Гюйгенс опубликовал классический труд по механике «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica »). Скромное название не должно вводить в заблуждение. Кроме теории часов, сочинение содержало множество первоклассных открытий в области анализа и теоретической механики. Гюйгенс также проводит там квадратуру ряда поверхностей вращения. Это и другие его сочинения имели огромное влияние на молодого Ньютона.

В первой части труда Гюйгенс описывает усовершенствованный, циклоидальный маятник, который обладает постоянным временем качания независимо от амплитуды. Для объяснения этого свойства автор посвящает вторую часть книги выводу общих законов движения тел в поле тяжести - свободных, движущихся по наклонной плоскости, скатывающихся по циклоиде. Надо сказать, что это усовершенствование не нашло практического применения, поскольку при малых колебаниях повышение точности от циклоидального привеса незначительно. Однако сама методика исследования вошла в золотой фонд науки.

Гюйгенс выводит законы равноускоренного движения свободно падающих тел, основываясь на предположении, что действие, сообщаемое телу постоянной силой, не зависит от величины и направления начальной скорости. Выводя зависимость между высотой падения и квадратом времени, Гюйгенс делает замечание, что высоты падений относятся как квадраты приобретенных скоростей. Далее, рассматривая свободное движение тела, брошенного вверх, он находит, что тело поднимается на наибольшую высоту, потеряв всю сообщенную ему скорость, и приобретает её снова при возвращении обратно.

Галилей допускал без доказательства, что при падении по различно наклонным прямым с одинаковой высоты тела приобретают равные скорости. Гюйгенс доказывает это следующим образом. Две прямые разного наклонения и равной высоты приставляются нижними концами одна к другой. Если тело, спущенное с верхнего конца одной из них, приобретает большую скорость, чем пущенное с верхнего конца другой, то можно пустить его по первой из такой точки ниже верхнего конца, чтобы приобретенная внизу скорость была достаточна для подъёма тела до верхнего конца второй прямой; но тогда бы вышло, что тело поднялось на высоту, большую той, с которой упало, а этого быть не может.

От движения тела по наклонной прямой Гюйгенс переходит к движению по ломаной линии и далее к движению по какой-либо кривой, причём доказывает, что скорость, приобретаемая при падении с какой-либо высоты по кривой, равна скорости, приобретаемой при свободном падении с той же высоты по вертикальной линии, и что такая же скорость необходима для подъёма того же тела на ту же высоту как по вертикальной прямой, так и по кривой. Затем, переходя к циклоиде и рассмотрев некоторые геометрические свойства её, автор доказывает таутохронность движений тяжелой точки по циклоиде.

В третьей части сочинения излагается теория эволют и эвольвент, открытая автором ещё в 1654 г.; здесь он находит вид и положение эволюты циклоиды.

В четвёртой части излагается теория физического маятника; здесь Гюйгенс решает ту задачу, которая не давалась стольким современным ему геометрам, - задачу об определении центра качаний. Он основывается на следующем предложении:

Если сложный маятник, выйдя из покоя, совершил некоторую часть своего качания, большую полуразмаха, и если связь между всеми его частицами будет уничтожена, то каждая из этих частиц поднимется на такую высоту, что общий центр тяжести их при этом будет на той высоте, на которой он был при выходе маятника из покоя.

Это предложение, не доказанное у Гюйгенса, является у него в качестве основного начала, между тем как теперь оно представляет простое следствие закона сохранения энергии.

Теория физического маятника дана Гюйгенсом вполне в общем виде и в применении к телам разного рода. Гюйгенс исправил ошибку Галилея и показал, что провозглашённая последним изохронность колебаний маятника имеет место лишь приближённо. Он отметил также ещё две ошибки Галилея в кинематике: равномерное движение по окружности связано с ускорением (Галилей это отрицал), а центробежная сила пропорциональна не скорости, а квадрату скорости.

В последней, пятой части своего сочинения Гюйгенс дает тринадцать теорем о центробежной силе. Эта глава даёт впервые точное количественное выражение для центробежной силы, которое впоследствии сыграло важную роль для исследования движения планет и открытия закона всемирного тяготения. Гюйгенс приводит в ней (словесно) несколько фундаментальных формул:

В 1657 году Гюйгенс написал приложение «О расчётах в азартной игре » к книге его учителя ван Схоотена «Математические этюды». Это было содержательное изложение начал зарождающейся тогда теории вероятностей. Гюйгенс, наряду с Ферма и Паскалем, заложил её основы. По этой книге знакомился с теорией вероятностей Якоб Бернулли, который и завершил создание основ теории.

Титульная страница популярного астрономического и философского трактата Гюйгенса «Cosmotheoros»

2.2. Астрономия

Гюйгенс самостоятельно усовершенствовал телескоп; в 1655 году он открыл спутник Сатурна Титан и описал кольца Сатурна. В 1659-м он описал всю систему Сатурна в изданном им сочинении.

В 1672 году он обнаружил ледяную шапку на Южном полюсе Марса.

Он открыл также туманность Ориона и другие туманности, наблюдал двойные звёзды, оценил (довольно точно) период вращения Марса вокруг оси.

Последняя книга «ΚΟΣΜΟΘΕΩΡΟΣ sive de terris coelestibus earumque ornatu conjecturae» (на латинском языке; опубликована в Гааге в 1698) - философско-астрономическое размышление о Вселенной. Полагал, что другие планеты также населены людьми. Книга Гюйгенса получила широчайшее распространение в Европе, где была переведена на английский (в 1698 году), голландский (1699), французский (1702), немецкий (1703) и шведский (1774) языки. На русский язык по указу Петра I была переведена Яковом Брюсом в 1717 году под названием «Книга мирозрения». Считается первой в России книгой, где излагается гелиоцентрическая система Коперника.

2.3. Оптика и теория волн

• Гюйгенс участвовал в современных ему спорах о природе света. В 1678 году он выпустил «Трактат о свете» - набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал т. н. принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции.

• Ему принадлежит оригинальное усовершенствование телескопа, использованного им в астрономических наблюдениях и упомянутого в параграфе об астрономии. Также он является изобретателем диаскопического проектора - т. н. «волшебного фонаря».
• Изобрел окуляр Гюйгенса, состоящий из двух плосковыпуклых линз.

2.4. Другие достижения

Карманные механические часы

• Открытие теоретическим путем сплюснутости Земли у полюсов, а также объяснение влияния центробежной силы на направление силы тяжести и на длину секундного маятника на разных широтах.
• Решение вопроса о соударении упругих тел, одновременно с Валлисом и Реном.
• Одно из решений вопроса о виде тяжелой однородной цепи, находящейся в равновесии: (цепная линия).
• Изобретение часовой спирали, заменяющей маятник, крайне важное для навигации; первые часы со спиралью были сконструированы в Париже часовым мастером Тюре в 1674 году.
• В 1675 году запатентовал карманные часы.
• Первый призвал выбрать всемирную натуральную меру длины, в качестве которой предложил 1/3 длины маятника с периодом колебаний 1 секунда (это примерно 8 см).

3. Основные труды

• Horologium oscillatorium, 1673 (Маятниковые часы, на латинском).
• Kosmotheeoros. (английский перевод издания 1698 года) - астрономические открытия Гюйгенса, гипотезы об иных планетах.
• Treatise on Light (Трактат о свете, английский перевод).

4. Примечания

1. Согласно нидерландско-русской практической транскрипции, эти имя и фамилию по-русски правильнее воспроизводить как Кристиан Хёйгенс .
2. Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках - www.mccme.ru/free-books/gindikin/index.html. - издание третье, расширенное. - М .: МЦНМО, 2001. - С. 110. - ISBN 5-900916-83-9
3. Кузнецов Б. Г. Галилео Галилей. - М.: Наука, 1964, стр. 165, 174.
4. Всё о планете Марс - x-mars.narod.ru/investig.htm

Литература

5.1. Сочинения Гюйгенса в русском переводе

• Гюенс Х. Книга мирозрения и мнение о небесно-земных глобусах и их украшеяниях. Пер. Якова Брюса. Санкт-Петербург, 1717; 2-е изд., 1724 (в русском издании не указаны имя автора и имя переводчика)
• Архимед. Гюйгенс. Лежандр. Ламберт. О квадратуре круга. С приложением истории вопроса, составленной Ф. Рудио. Пер. С. Н. Бернштейна. Одесса, Mathesis, 1913. (Репринт: М.: УРСС, 2002)
• Гюйгенс Х. Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла. М.-Л.: ОНТИ, 1935.
• Гюйгенс Х. Три мемуара по механике. - publ.lib.ru/ARCHIVES/G/GYUYGENS_Hristian/Gyuygens_H._Tri_memuara_po_mehanike.(1951)..zip М.: Изд. АН СССР, 1951. Серия: Классики науки.
  • Маятниковые часы.
  • О движении тел под влиянием удара.
  • О центробежной силе.
  • ПРИЛОЖЕНИЯ:
    • К. К. Баумгарт. Христиан Гюйгенс. Краткий биографический очерк.
    • К. К. Баумгарт. Работы Христиана Гюйгенса по механике.
  • Именной указатель.

5.2. Литература о нём

• Веселовский И. Н. Гюйгенс. М.: Учпедгиз, 1959.
• История математики под редакцией А. П. Юшкевича в трёх томах, М.: Наука, Том 2. Математика XVII столетия. (1970) - ilib.mccme.ru/djvu/istoria/istmat2.htm
• Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках. - www.mccme.ru/free-books/gindikin/index.html M: МЦНМО, 2001.
• Костабель П. Изобретение Христианом Гюйгенсом циклоидального маятника и ремесло математика. Историко-математические исследования , вып. 21, 1976, с. 143-149.
• Мах Э. Механика. Историко-критический очерк её развития. Ижевск: РХД, 2000.
• Франкфурт У. И., Френк А. М. Христиан Гюйгенс. М.: Наука, 1962.
• Шаль, Мишель. Исторический обзор происхождения и развития геометрических методов - ru.wikisource.org/wiki/Исторический_обзор_происхождения_и_развития_геометрических_методов/Гюйгенс. Т. 1, n. 11-14. М., 1883.
• Джон Дж. О’Коннор и Эдмунд Ф. Робертсон . Гюйгенс, Христиан - www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Huygens.html (англ.) в архиве MacTutor.
• Работы Christiaan Huygens - www.gutenberg.org/author/Christiaan Huygens в проекте «Гутенберг»