【物理史中的六月】1657 年 6 月 16 日:惠更斯(Christiaan Huygens)取得第一個擺鐘的專利權

1657 年 6 月 16 日:惠更斯(Christiaan Huygens)取得第一個擺鐘的專利權

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2017 年 6 月)

惠更斯(Christiaan Huygens)

久病臥床絕沒什麼樂趣,但有時病榻上的沉思卻可得到深入的科學見解,這就是 17 世紀荷蘭天文學家惠更斯(Christiaan Huygens)的情形。1665 年,惠更斯是第一個在他的臥室提出兩個擺鐘(他發明的)偶合振盪現象的人,當時他正養病復原中。

1629 年,惠更斯出生在荷蘭海牙,家境富裕且有影響力;父親是一名外交官,在政府機關、科學界、和知識份子圈都有許多有力的管道。年輕的惠更斯在孩童時期大多是在家由私人教師教授學習,展現對數學、機械和繪畫的天份,而讚賞他在幾何學技巧的正是當時經常造訪他家的笛卡兒(Descartes)。惠更斯之後在荷蘭萊登大學(University of Leiden)讀數學和法律 2 年,再進入新成立位於布雷達的奧宏吉學院(College of Orange in Breda)就讀,1649 年完成學業。

惠更斯的父親希望他兒子可以追隨他的腳步成為一位外交官,年輕的惠更斯確曾在 1649 年因外交任務到丹麥。但他父親終究了解他對這種職涯沒有興趣,再加上政治風向的改變,讓惠更斯可以在他父親位於海牙的屋子裡自由地全心致力於研究工作。惠更斯早期的數學論文為他在歐洲贏得了良好的聲譽,而他於 1655 年第一次到巴黎就輕易地進入當地最好的社交與知識份子圈。

惠更斯的興趣很快地轉移到天文學。他想出了改良研磨拋光望遠鏡鏡片的方法,並設計出他自己的目鏡,使用他改進的儀器瀏覽星空。他於 1655 年發現了土星的第一顆衛星,並於 1659 年得以確立圍繞土星的環系統之真正形狀,然而他的發現在之後的 10 年間受到了質疑,直到望遠鏡持續改良後才終於說服這些有疑問的天文學家。

惠更斯在天文學方面的興趣使得他可以精確地測量時間,因為這對他的觀測非常重要。他也對伽利略等時性(相同長度的鐘擺,擺動的週期相同)的發現感興趣。惠更斯於 1656 年底前完成了他第一個擺鐘的原型,並僱用一位名叫科斯特(Salomon Coster)的鐘錶匠來建造其他更多的擺鐘。惠更斯於 1657 年 6 月 16 日取得此設計的專利(他也於 1675 年設計了懷錶)。他的設計遠比當時基本彈簧驅動桌上型時鐘的計時更準確,每天的誤差只有 15 秒,而其他的計時器誤差是 15 分。進一步的改良提升了它的準確度,也因其高準確性,所以接下來的好幾百年,擺鐘都主導著計時行業,直到 1927 年石英鐘的發明。

大約在此同時,科學界很積極地要努力解決在海上測量經度的問題,例如英國科學家虎克(Robert Hooke)以發條控制的時鐘做試驗。惠更斯自己也嘗試設計,雖不夠準確,但他相信他可以改造他的擺鐘來解決此難題。他為此建造了幾個擺鐘,於 1662 年和 1686 年在海上以適當方式測試,結果不一。

1673 年,惠更斯出版了一本開創性的書《擺鐘論》(the Horologium Oscillatorium),涵蓋他對鐘擺所有的研究。在書中,惠更斯說明各種相關的現象,例如鐘擺的週期端賴它們擺動的幅度而定。(擺動大比擺動小所花的時間多一點點。)他也說明偶合震盪──他稱之為「奇特的共鳴」──他因病而短暫臥床時注意到,當將兩個擺鐘並排放在一起時,鐘擺會同步以相反方向開始擺動。惠更斯希望利用此效應來解決經度的難題,他認為兩個擺鐘可以彼此調整,但皇家學會截至那時對擺鐘可作為一個可能的解決方法已失去信心。

惠更斯主張此效應是由於支撐鐘的木樑內「細微無法察覺的運動」。2000 年,美國喬治亞理工學院的物理學家做實驗,發現惠更斯在這方面的判斷是正確的。問題的確是小振動:當鐘擺擺動時,鐘會施加微小的力在連結它們的木樑上。

1670 年,惠更斯被選入倫敦皇家學會,1666 年,他是法國科學院的創始會員,這是仿照英國成立的相同機構。然而當他的身體於 1670 年開始走下坡時,他卻指示將尚未發表的論文全捐到倫敦的皇家學會。他擔心科學院有可能終究要解散,因為它「混雜有妒忌的氣息,由於它完全基於一個王子的幽默和一位大臣的恩惠的支持。」那些擔憂後來證明是他多慮了:科學院至今一直茁壯成長,雖然 1672 年法荷戰爭爆發曾讓惠更斯和科學院的關係一度緊張。

因為惠更斯的健康持續惡化──他一生都為憂鬱症發作和其他各種病痛所苦──他退隱到荷蘭的老家,雖然他因之體驗到在知識上的孤獨而表示悲傷。他並試著編寫一本專書《推測外星生物》(Cosmotheoros),是探討外星生物可能性最早出版的書。該書在惠更斯身後於 1698 年出版,他 1695 年 7 月 8 日在海牙家中辭世。

擺鐘

 

加入好友

2,897 人瀏覽過