12.2. Гюйгенс – гордость Голландии

12.2.1 Становление ученого

Семья Гюйгенсов принадлежала к кругу известных аристократических семей Гааги, а её глава – Константин Гюйгенс, отец Христиана – играл важную роль в политической и государственной жизни Голландии. Вращаясь в высших сферах общества, он был дружен со многими яркими личностями своего времени – политиками, философами, художниками и учёными, среди которых был и великий французский мыслитель и математик Ренэ Декарт. Несмотря на своё католическое вероисповедание, Декарт близко общался с протестантской семьёй К. Гюйгенса и оказывал сильное интеллектуальное влияние на интересы и увлечения его сыновей – Константина и Христиана.

Всего в семье было четыре мальчика и одна девочка, но именно Христиан Гюйгенс (1629 ─ 1695) с детских лет выделялся своими способностями, нередко выступая в качестве репетитора своего старшего брата Константина по арифметике. В возрасте 14 лет к увлечению математикой добавился интерес к практической, а позднее и к теоретической механике, который и определил направление его будущей профессиональной деятельности. Отец мальчиков, будучи сам высокообразованным и разносторонним человеком, сумел дать им блестящее домашнее образование, включавшее французский, итальянский, английский и латинский языки, музыкальную грамоту, основы живописи и стихосложения, географию и астрономию, танцы и катанье на коньках. Заинтересовавшись последними открытиями оптической астрономии, сделанные Галилеем и его последователями, братья решили изготовить телескоп, ради чего начали осваивать технику и технологию шлифовки оптических стёкол. Увлечённость мастеровым делом глубоко проникла в душу юного Христиана, и он до конца своих дней отдавал дань этому увлечению, самостоятельно изготавливая различные приборы и устройства.

Большую роль в подготовке подростков к поступлению в университет сыграл их домашний учитель Стамптон, который рекомендовал им изучение таких книг, как «Конические сечения» Аполлония, «Альмагест» Птолемея, «Об обращениях небесных сфер» Коперника, а также сочинения Кеплера, Декарта, Виета и Стевина. При этом он подчёркивал: «И очень большим достижением является изобрести что-нибудь самому – из этого можно почерпнуть больше выгоды, чем из постоянного чтения». Следуя примеру и желанию отца, братья Гюйгенсы поступили на юридический факультет Лейденского университета в 1645 г., когда Христиану исполнилось 16 лет. Однако пытливого юношу больше притягивали точные науки, чем юриспруденция, и уже через год он по совету Декарта начал переписку с Мерсенном. Узнав от него об опытах Галилея по падению тел, Христиан сам заинтересовался этим вопросом и вскоре добился первого успеха – он опроверг утверждение одного испанского профессора о том, что пути, проходимые падающим телом за 1-ю, 2-ю и 3-ю секунды относятся как 1:2:3 и т.д. Христиан заметил, что если в качестве единицы времени принять не одну, а две секунды, то пути проходимые за 2, 4 и 6 секунд окажутся в другом соотношении (3:7:11). После не очень долгих размышлений он установил, что независимо от выбора единицы времени, пути, последовательно проходимые падающим телом, должны соотноситься как 1:3:5:7 и т.д., подтвердив результаты Галилея. Также, не зная выводов Галилея, Христиан понял, что наклонно брошенное тело летит по параболе.

Переписка с Мерсенном сыграла важную роль в формировании научных интересов обоих ученых, хотя она и продолжалась не слишком долго – в середине 1648 г. Мерсенн скончался. Однако за полгода до смерти он успел сравнить Христиана с Архимедом, после чего отец Христиана стал называть его «мой Архимед». И это сравнение имело основание: молодой Гюйгенс, познакомившись с сочинениями великого сиракузца, не только глубоко их прочувствовал, но и стал развивать заложенные в них идеи и методы. Результатом явились его первые работы: «О равновесии плавающих тел» (1651 г.) и «О квадратуре круга» (1654 г.). В них молодой автор ставит и решает целый ряд новых задач гидростатики, находит квадратуры гиперболы, эллипса и круга, а также разрабатывает теорию эволют и эвольвент. Помимо решения частных задач, Гюйгенс устанавливает общий принцип равновесия тел и жидкостей: в положении равновесия центр тяжести совокупности тел и жидкости занимает наинизшее возможное положение (этот же принцип был несколько раньше сформулирован учеником Галилея Торричелли и получил его имя). После освоения «архимедовых задач» молодой учёный обратился к задачам об ударном взаимодействии твердых тел, которыми занимался Декарт, установивший первые, но не во всем верные законы удара.

Надо отметить, что после пионерских работ Галилея по динамике проблема ударных взаимодействий стала, наряду с проблемой падения тел, ведущей задачей европейской механики и ею занимались учёные разных стран. Так в 1639 г. в Праге вышло сочинение чешского профессора И.М. Марци (1595 ─ 1667) по механике упругого удара, где автор устанавливает следующие закономерности соударений тел при коэффициенте восстановления равном 1:

- при прямом встречном ударе равных тел они обмениваются своими скоростями;

- если по одному из двух соприкасающихся тел ударяет третье тело, то его скорость передаётся дальнему телу.

Никаких теоретических обоснований этих утверждений автор не приводит, опираясь, по-видимому, на результаты экспериментов. Помимо прямого центрального соударения тел Марци рассматривает и интерпретирует случаи косого соударения, причем использует для сложения скоростей тел правило параллелограмма. Выводы Марци подтвердили и даже дополнили ударные исследования Галилея и послужили ступенькой к более фундаментальным заключениям Гюйгенса. При этом они в чем-то отличались от ударных «законов Декарта».

Анализируя вывод Декарта о том, что при соударении упругих тел сохраняется скалярная сумма произведений масс тел на их скорости , Гюйгенс установил, что в действительности сохраняется сумма их «живых сил» (в будущей лейбницевской терминологии). Фактически этим Гюйгенс установил закон сохранения энергии при упругом соударении. Что же касается закона сохранения количества движения в векторном виде, то он также был известен Гюйгенсу, однако он не включил его в свои работы по удару. Эти его результаты по теории удара, полученные в 1652 ─ 1653 гг., были опубликованы в трактате «О движении тел под влиянием удара», вышедшем в 1703 г., уже после смерти автора.

Успешно разрешив «архимедовы» и «декартовы» задачи механики, молодой ученый возвращается к астрономическим увлечениям своей юности и к задачам «галилеевым». Понимая ключевую роль качества инструментальной оптики для создания новых телескопов и микроскопов, Христиан вместе с братом Константином снова занимается шлифовкой линз и зеркал и при изготовлении своего 12-футового телескопа (лучшего в Европе того времени) изобретает «окуляр Гюйгенса», применяемый до сих пор. С помощью своего телескопа Гюйгенс весной 1655г. открывает спутник Сатурна (позже названный Титаном) и определяет период его обращения вокруг Сатурна (16 суток и 4 часа). Однако галилеева проблема о форме самого Сатурна требовала более мощного телескопа. И такой телескоп диаметром 24 фута был изготовлен и опробован братьями весной 1656 г. Первые же наблюдения неба с помощью этого 92-х кратного телескопа (напомним, что у Галилея телескоп был 30 - кратный) ясно показали, что Сатурн окружён тонким светлым кольцом, слегка наклоненным к плоскости эклиптики. По обычаям того времени своё открытие Гюйгенс зашифровал в анаграмме, содержание которой он раскрыл только через 3 года (в 1659 г.) в книге «Система Сатурна». В ней говорилось, что Сатурн «окружён кольцом тонким, плоским и не соприкасающимся с планетой». Также он обнаружил полярные шапки на Марсе, тёмные полосы на диске Юпитера, новую туманность в созвездии Ориона. Эти открытия сделали Гюйгенса знаменитым учёным, хотя ему еще не было и 30 лет.