创立光的波动理论：世界百位科学家

创立光的波动理论[荷兰]惠更斯(1629～1695)

人类文明的历史长河，浩浩荡荡，绵延千万年。而在西方，人类近代文明史是从文艺复兴时期开始书写的。虽然往事过去千年，但每当人们回首那段辉煌历史时，总是禁不住用最动情的声音来歌颂它。历史是由人开创的，而辉煌历史更是由伟大的人物开创的。正如有人所说：文艺复兴是一次人类从未经历过的最伟大的、进步的变革，是一个需要伟大人物而且产生了伟大人物的时代。这些伟大人物在多个不同的领域同时放射出璀璨的光芒。在这里，我们正要看到这样一位伟大的科学家，他生于文艺复兴运动的晚期，在许多方面作出了流芳百世的贡献。他的名字叫克里斯蒂安惠更斯。

从金窝里飞出的凤凰

克里斯蒂安惠更斯(ChyistianHuygens)是荷兰著名的物理学家、天文学家和数学家。1629年4月14日，惠更斯出生在美丽的滨海之城荷兰海牙的一个贵族家庭里。他的家庭在当时的欧洲赫赫有名，曾经在文艺复兴运动早期的文化推动、传播过程当中发挥过重要的作用。他的父亲在王朝政府里位居要职，学识也很渊博，尤其在诗歌方面的造诣很深，与当时许多学界的名流交游甚密，如艺术家伦勃朗、思想家笛卡尔和斯宾诺莎等，都是他们家的常客。惠更斯从小恪守家庭崇尚文化的传统，并没有因为门第的优越而放弃对文化知识的渴求。也许是受到了笛卡尔和斯宾诺莎的影响，惠更斯从小就非常喜爱自然科学知识，尤其是数学知识。只要一有空，他就钻到父亲的书房里，或聆听大人们高谈阔论，或独自找数学等自然科学书籍翻看。他是如此的着迷，以至于经常忘了自己身处何时何地，这让他的父母为他既高兴又担心。当初，惠更斯的父亲很想把他培养成为一位像自己那样的政府要员，但看到他如此地痴迷于书本，便打消了这个念头，而早早地把他送入了高级学校接受正规且系统的科学教育。一到了学校，惠更斯更是如鱼得水，如饥似渴地汲取知识的养料。他在小学、中学都是全校同年级学生中年龄最小的一个，可也是最勤奋最用功的一个。由于他天资聪明，对所学的知识记忆、理解很好，他的成绩在班上始终都是第一名。他进步得很快，16岁就以优异的成绩考上了颇有名气的莱顿大学，学习数学和法律。笛卡尔很关心老朋友的这个聪明的小儿子，经常对他的学习进行指点。在笛卡尔等人的直接影响下，惠更斯钻研了阿基米德等人的数学和物理学著作，开始全身心地投入数学、力学和光学的研究。他的学习有一个很显著的特点，就是非常善于把所学到的知识与日常生活的实践结合起来，这一方面是为了检验课堂上所学的知识是否正确，另一方面也是为了从实践中体会到更多的学习乐趣。据说，惠更斯在13岁时就参照图纸自己制造出了一台车床，而且性能良好，他用它加工、制造了许多有趣的东西。另外，同许多同时代人一样，他很早就开始学习磨制透镜的技术，而且乐此不疲。随着对透镜磨制技术和技巧的掌握，他的小脑瓜开始考虑怎样完善磨制的方法，来提高镜片的清晰度。他在这方面着实花了不少气力，到了17世纪50年代，凭借着成熟的数学知识功底，他和他的兄弟一道发明了一种新的镜片磨制方法。

用这一方法磨制出的镜片光洁而清晰，制戚的望远镜效果非常好。这一方法直到今天还在为许多专业制镜者使用着，而由他亲自制造的望远镜的质量在现存的望远镜中也算得上上乘。正是利用这些性能优越的望远镜，他首先在天文学上有一系列重要的发现。

土星光环的发现者

望远镜是天文观测者的千里眼，它把人类探索自然神奇的目光引向了浩瀚无垠的宇宙深处。惠更斯在对望远镜的镜片做了改进之后，耐心而细致地进行了天文观测。在1650～1659年短短9年的时间里，他先后识别出猎户座大星云的结构组成，发现了火星上的极冠、木星带和土星的一颗卫星，从而进一步证实并巩固了在当时还有异端邪说之嫌的哥白尼学说。其中，最激动人心、最富有成果的一项发现要算发现土星光环了。

土星是太阳系的九大行星之一，按距离太阳由近及远的次序排行第六。它在中国古代被称作镇星或填星，而在古代西方则被命名为萨图努斯(罗马农神的名字)。在1781年天王星被发现之前，它被人们认为是离太阳最远的一颗行星。1610年，意大利天文学家伽利略用他发明的天文望远镜第一次观测到了土星环的存在。然而，他当时并没有能够意识到这一点。在他看来，土星的球状本体旁的这一奇怪的附属物简直不可理解。他甚至怀疑这一怪物是透镜造成的幻像。他把这一现象告诉了其他天文学家，自己就再也没有关心过了。惠更斯很早就听说了伽利略的发现和怀疑，也亲自用天文望远镜看到了与伽利略的描述极为相似的现象。他也百思不得其解，但他却没有轻易做结论。在他看来，只有延伸望远镜的观测距离和增加观测的清晰度，才能够作出判断。于是，他于1659年研制出了当时在全欧洲称得上是最好的望远镜。由此，他又对土星进行了集中观测，结果发现，所谓土星旁的那个奇怪东西根本不是什么镜片造成的假象，而是真实存在着，它是一条近似带状的东西。

光是这一发现，就足以让世人震惊了。然而，不问明究竟不是惠更斯惯有的作风。一个问题解决了，另一个更大的问题却又出现在他的脑海里：那团土星旁的物质究竟是什么?每当夜深人静的时候，他就傍依着望远镜，看一会儿，想一会儿，又用笔写写画画记下自己的想法，想不通了，又再看一会儿。多少个夜晚他都是这样度过的。毕竟观测的技术仍有局限，惠更斯的望远镜已无法再深入地看到土星旁的物质中去了，于是，他只好将一系列的观测数据和记录进行反复的分析和比较，期望从中找到某种内在的关联性。科学的道路就是这样，此处不通，另一处可以通。通过大量的比较和分析，他发现，土星旁的那团东西，在望远镜中虽然会时时改变形状，但从来也不曾消失过。联想起行星的自转运动，他想，土星旁的那团东西也应该是围绕着土星转动的。那么，一个转动着的带状东西会是什么呢?难道是-个物质环?至此，惠更斯的思路豁然开朗了。对，就是一个环。他把自己的想法汇总整理，写出了著名的《论土星光环》的论文。在论文中，他向世人宣布：土星周围的附属物质是一个无处不接触并偏向黄道的薄扁环。惠更斯的这一发现，结束了多少年来天文学界的一大疑问。自此之后，对于土星有个物质环这一说法人们再也不存在疑虑，而把注意力和研究的重点放在了对土星环内部构造和组成的研究上了。从此，一个新的天文学研究领域行星光环研究就被开辟了出来。随着科学技术的不断发展，特别是有了更远视距的望远镜的开发和利用，有关土星光环的细节、性质也日益为人们所知晓。在此基础上，20世纪70年代，人们又陆续发现了木星的光环和天王星的光环，从而为人们对太阳系整体结构的探索又添上了亮丽的内容。

追问光的本质(www.xing528.com)

土星环的发现使惠更斯的声名大噪。1665年，他作为法国科学院的名誉院士应邀前往巴黎讲学。他一到了巴黎，就立刻被那里浓厚的学术气氛深深地感染了。从此，他开始长住这里，法国成了他的第二故乡。在这里，他与欧洲许多知名的数学家、天文学家、物理学家进行了广泛的学术交流与合作。巴黎时期，成了他一生科学研究，的黄金时期。其中，最令他本人引以为豪的研究就是提出光的波动说。

光是人们生活中最平常不过的东西了，没有它，人们无法工作、学习，万物无法生长、繁衍。可是，也正是它，过去曾是人们知道、了解得最少的东西。在17世纪，对光的本质是什么这一问题，没有人能自信地回答。然而，人们总需要对这一个问题有个说法：或否认这个问题的存在，像前面的土星环问题一样；或找到一个解答，哪怕这一解答是想象出来的。在当时的物理学界，人们普遍都接受学界权威、英国物理学家牛顿提出的光的微粒说。这种说法认为光是一种物质，它由一群快速流动着的发光微粒组成。光之所以会发生反射现象，就是由于这种发光微粒碰到障碍物而改变运动方向的结果。但对光的折射现象、干涉现象和衍射现象，这一学说就解释不了。不过，能解决一部分现象总比什么现象也不能解决好，况且牛顿又是大名鼎鼎的科学家，他的话总是不会错的，许多人都这么想。可惠更斯却不这么认为，在他看来，理论正确与否的标准只能是看它能否解决实际当中碰到的问题。而牛顿的光的微粒说既然不能解决光为什么会发生折射、干涉和衍射的问题，那么就说明他的观点可能有局限性。从1669～1677年，惠更斯一直在苦思冥想着这一问题。而他对这一问题的研究一开始就是从光的双折射这一艰深问题人手的。所谓光的双折射，就是指透过一种叫方解石的晶体矿物质可以明显看到一个物体有两个像。这说明当光线穿过方解石的时候发生了各向异性的折射。针对这一现象的研究和解释，既需要对光的性质、特点有比较全面的认识，又需要有深厚的基础物理学知识的功底，更需要有数学这一强有力解题工具的使用，可谓难矣!研究的历程是艰辛的，但成果的产生却是令人快慰的。惠更斯九年如一日，谢绝了许多社交的事务，通过长时期的潜心研究，在对实验现象做反复的数理研究的基础之上，终于在1690年出版的《论光》一书中提出了光的波动学说。他指出，光在透明物质当中的传播不可能像牛顿所说的那样是一种物质的转移，而只能是某种物质运动的传递。由于这种传递是通过一种叫以太的粒子相互碰撞而进行的，因此，光线不是纯粹的几何线，光速也不是无限的。他发现，光的传播与声音的传播有很多地方存在相似性，于是就大胆地提出光波的概念，并对光的传播过程做了如下描述：光波发射时，传播光的每一物质粒子不只是把运动传给前面的相邻粒子(与原始粒子和光源处于同一直线上)，而且还传给周围所有其他和自己接触并阻碍自己运动的粒子。因此，在每一粒子周围就产生以此粒子为中心的波。

这就是著名的惠更斯原理。用这一原理不仅可以很好地解释光的反射现象，也同样可以较完满的解释光的折射和双折射现象。惠更斯的光的波动说刚提出时并没有引起物理学界的广泛关注。直到100多年之后，世界各地的物理学家才相继在自己的实验室里展开实验和理论探讨，来验证这一观点的正确性，而结果无一例外地都证实了惠更斯的理论的预见性和正确性。至此，一条从数学等其他学科领域来研究光的性质及其传播的道路被开辟了出来。光，渐渐地揭开了它神秘的面纱，从人们的生活走入了人们的思想。

科学发现的背后

惠更斯在科学上的贡献是多方面的，发现土星环和提出光的波动说不过是其中最具有代表性的两个罢了。作为一个思维敏捷的科学家，在物理学方面，他利用相对性理论研究了碰撞引起的物体运动，确立了动量守恒理论。研究了离心力，提出了著名的离心力公式：一个做圆周运动的物体具有飞离中心的倾向，它向中心施加的离心力与速度的平方成正比，与运动的半径成反比。另外，他还根据伽利略提出的钟摆的等时性原理，改进了钟摆的构造，于1656年制成了世界上第一台摆钟，而他的关于万有引力的思想对牛顿万有引力理论的形成也产生了不可忽视的影响。在天文学、数学等其他方面，他也是颇有建树的。

爱因斯坦曾经说过，一个科学家所取得成就的多寡和大小，并不取决于他个人的天赋和才华，而是取决于他所使用的方法的科学性、合理性以及他的思想品质是否坚忍和高尚。诚如此言，纵观科学的发展长卷，我们不难看到，大凡有成就的科学家，在不平凡的科学发现的背后都无一例外地有过一番同样不平凡的奋斗史。在他们当中，有的出身贫贱，有的出身高贵，但认真、严谨、不迷信权威、为事业献身的气概和抱负等品质是他们所共有的。惠更斯同样具备这些品质。

就拿他所从事的天文事业来说。如前所述，天文望远镜对于天文学家就像眼睛对人来说一样的重要，而天文望远镜的核心部件就是透镜片。透镜片质量、效能的高低，直接影响天文观测的效果。在透镜片被大规模工业生产以前，打磨透镜是一桩又耗时又累人的手工活计，而且经常接触玻璃粉屑，对人的呼吸系统和身体健康也是一种潜在的危害。对于家庭富裕、名声远扬的惠更斯来说，透镜的磨制完全可以不由他亲自来干。然而，作为一个有着丰富阅历经验的天文观测者，惠更斯清楚地知道，只有天文学家自己真正了解透镜成像的特性，明白自己需要什么样的透镜成像，也只有天文学家自己制作出领先于他人的望远镜片，才能在天文学上取得创造性的发现。一滴水可以映显太阳的全部色彩。如果说，惠更斯成功的背后有什么秘诀的话，那就是这份工夫深，铁杵磨成针的决心和信心。

科学是没有国界的，但科学家是有祖国的。虽然惠更斯长住在巴黎，但他内心深处却时刻惦记着故乡的发展和人民的幸福。当1681年信奉天主教的法国开始对信奉基督教的荷兰采取敌对态度时，出于一种强烈的民主义愤和民族责任感，惠更斯毅然舍弃了在法国良好的生活和研究条件，回到了祖国，而且直到逝世再也没有离开过。他为荷兰科学技术的发展作出了重要的贡献。1695年7月8日晚上，这位荷兰人民的儿子安详地躺在祖国母亲的怀抱中与世长辞，享年66岁，终身未婚。

惠更斯把他自己全部的生命和激情都奉献给了人类的科学事业。他的一生，在多种学科当中都作出了卓越的贡献。正是由于他富于开创性的研究和处于伽利略时代与牛顿时代之间的独特历史位置，使他得以成为17世纪与开普勒、伽利略、笛卡尔、莱布尼茨、牛顿等齐名的杰出学者。他的一生享有许多的荣誉，俄国天文学家罗蒙诺索夫把他称为这位尊敬的惠更斯，天文学的创始人之一。而勤劳、勇敢的荷兰人民更是把崇高的荣誉敬献给了他。就在他逝世后不久，荷兰科学最高机构皇家科学院将他卷帙浩繁、博大精深的著作、手稿汇集出版，以永远纪念这位伟大的科学家。至今，这部总共有22卷之多的《惠更斯全集》被收藏在海牙的惠更斯纪念馆里，供来自世界各地的人们参观、瞻仰，而融注到人类文明长河中的惠更斯博大精深的科学思想，已经并正在为无数的科学工作者继承和发扬。