6
Первые годы после учебы, проведенные Гюйгенсом в Гааге, обнаруживают широту интересов молодого ученого — математика, механика, оптика, астрономия — все интересует его, и всем он пытается заниматься. Одним из первых практических увлечений Гюйгенса было искусство изготовления оптических линз, это увлечение разделял с Христианом его старший брат Константин, и вскоре братья достигли в изготовлении линз большого совершенства. Одновременно с практическими занятиями его привлекают и теоретические вопросы, относящиеся к оптике и конструкции оптических приборов. Уже в 1653 г. у него готов «Трактат о преломлении и телескопе», в котором он рассматривает закон преломления, определение фокусов у линз, а также показателей преломления, а кроме того, обсуждает строение глаза, форму линз для очков и конструкции телескопа.
Успехи, достигнутые Гюйгенсом в искусстве шлифования линз (а линзы, изготавливаемые в лаборатории Христиана и Константина, славились не только в Голландии, но и за ее пределами), и прекрасное владение геометрической оптикой позволили ему построить в начале 1655 г. 12-футовый телескоп, который, по-видимому, тогда был лучшим в Европе, несмотря на то что это был первый телескоп, сделанный его руками. С помощью этого телескопа в марте того же 1655 года Христиан Гюйгенс открыл спутник Сатурна, названный позднее Титаном. Он определил период его обращения вокруг планеты, который оказался равным 16 дням и 4 часам, а также заметил, что плоскость орбиты спутника совпадает с плоскостью, в которой расположены «придатки», или «ручки», Сатурна. Странная форма Сатурна была загадкой для астрономов с тех пор, как Галилей сделал это открытие.
Как писал сам Галилей, «это открытие состоит в том, что звезда Сатурна не является одной только, но состоит из 3, которые как бы касаются друг друга, но между собой не движутся и не меняются; они расположены рядом по длине зодиака, причем средняя из них примерно в 3 раза больше, чем две боковые; и они расположены в такой форме oOo » [17, I, с. 594]. Сатурн в виде вазы с ручками наблюдали после Галилея многие, в том числе Кристоф Клавий, и теперь Гюйгенсу предстояло дать тому объяснение.
Гюйгенс начал с того, что предположил, что Сатурн окружен кольцом, и доказательство этой гипотезы он основывал на картезианском представлении о космических вихрях. Согласно Декарту, частицы небесной материи, находящиеся ближе к центру вихря, имеют период обращения меньший, чем период обращения частиц, находящихся дальше от него [7, с. 185—186]. Это положение согласуется с тем фактом, что период собственного вращения планет является много меньшим, чем периоды их сателлитов, причем периоды внутренних спутников меньше, чем внешних. Примером могут служить Солнце и планеты, Земля и Луна, Юпитер и его спутники. Поэтому частицы небесной материи, прилегающие к Сатурну, должны иметь такой же период обращения, что и сама планета, а следовательно, много меньше 16 дней, т. е. периода спутника. Но, наблюдая много месяцев за Сатурном, Гюйгенс не заметил никаких изменений в положении «ручек», поэтому он решил, что материя, их составляющая, должна быть равномерно распределена вокруг Сатурна симметрична его оси (оси вихря), т. е. «ручки» есть след кольца, окружающего Сатурн.
В феврале 1656 г. был построен новый, более мощный телескоп, с помощью которого гипотеза Гюйгенса получила впоследствии (в декабре 1657 г.) экспериментальное подтверждение. Результаты своих наблюдений Гюйгенс опубликовал в книге под названием «О спутнике Сатурна новое наблюдение», где по примеру Галилея и Кеплера зашифровал свое открытие с помощью анаграммы:
а7 с5 d1 e5 g1 h1 i7 l4 m2 n9 o4 p2 q1 r2 s1 t5 u5.
Разгадка заключалась в фразе: «(Saturrms) cignitur annulo tenui, piano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato» — «Сатурн окружен тонким плоским кольцом, нигде не прикрепленным и наклоненным к эклиптике». Через несколько лет Гюйгенс опубликовал полное изложение своих наблюдений вместе с их объяснением и множеством других сведений относительно планет и их спутников, которые представляли существенные данные в поддержку теории Коперника.
Занятия астрономией не помешали Гюйгенсу совершить свое первое путешествие во Францию, где он провел вторую половину 1655 г. За это время он наладил связи с французскими учеными, что было для него особенно существенно, ибо после смерти Мерсенна в 1648 г. контакты с Францией стали резко ослабевать. Он познакомился с Гассенди, многие идеи которого разделял (например, он признавал существование пустоты и реальность атомов), Робервалем, парижским астрономом Исмаэлем Буйо и многими другими. Во Франции он формально закончил свое образование, сдав в университете Анжера экзамены на степень доктора права. Впрочем, его юридическое образование так й осталось данью семейной традиции — Гюйгенс никогда его и не пытался применить на практике.
Гюйгенса многое роднит с Галилеем; различные по темпераменту, они были сходны по научным пристрастиям: оба преклонялись перед Архимедом и считали его примером для подражания. Даже детство у них было похожим — оба воспитывались в обстановке любви к искусству, причем и для Галилея, и для Гюйгенса музыка была той атмосферой, в которой они росли. Галилей был безразличен к религии, а для Гюйгенса это характерно в еще большей степени. «Когда в 1660 г. иезуитский математик патер Такэ попытался совратить его в католицизм, то Гюйгенс написал ему, что все это далеко отстоит от очевидности геометрических доказательств» [18, с. 127]. Многие проблемы, которые пытался решить Галилей, представляли собой предмет исследований Гюйгенса. Таковой была работа о кольце Сатурна, а в 1656 г. он занялся проблемой, которая интересовала Галилея в конце его жизни, а именно использованием маятника в качестве регулятора хода часов. Изохронизм колебаний маятника был открыт Галилеем еще в юности, но лишь в 1641 г. он решил использовать его в часах. В следующем году Галилей умер, и работу продолжил его сын Винченцо. Нам не известно, удалось ли Винченцо довести дело до конца, но существуют веские доказательства, что маятниковые часы были построены учеником Галилея Вивиани — это следует из описи его наследства и сохранившегося рисунка [19, с. 91].
Для морской державы, какой была Голландия, особенно остро чувствовалась необходимость в надежном способе определения долготы на море, что можно было бы осуществить, имея надежные часы. В свою очередь, для создания маятниковых часов нужно было решить две главные проблемы: сделать колебания маятника изохронными (что приближенно справедливо только при малых амплитудах) и найти способ передачи равномерного хода от маятника к остальному механизму часов. Первая задача была решена Гюйгенсом позднее, важно было решить сначала вторую задачу. Он сделал это в 1657 г., придумав так называемый анкерный спуск, который с той поры повсеместно используется в часах. У Галилея был так называемый крючковый спуск, устройство значительно менее надежное — не известно, ходили ли в действительности часы, построенные по галилеевскому принципу, или нет. Гюйгенс же изготовил в том же 1657 г. часы с применением анкерного спуска и получил на них патент от Генеральных штатов, которые гарантировали ему привилегию в течение 21 года. Он описал их устройство в небольшой книге под названием «Часы» (не следует путать с «Маятниковыми часами», написанными позже), изданной в Гааге в 1658 г. Изобретение имело большой успех, и вскоре были построены первые башенные часы с маятником, установленные в Схевенингене близ Гааги и в Утрехте.
После 1658 г. Гюйгенс продолжает заниматься теорией часов с маятником, пытаясь решить проблему изохронности. После года напряженной работы ему удалось показать, что период маятника будет совершенно независим от амплитуды, если его груз будет двигаться не по окружности, а по циклоиде. Теперь задача состояла в том, как такое движение осуществить. Наиболее естественным решением было как-то ограничить движение маятника с помощью «щек», установленных вблизи точки повеса. Тогда задача видоизменялась: необходимо было найти соответствующую форму «щек». Этот вопрос привел Гюйгенса к разработке математической теории эволют.
Рассмотрим нить постоянной длины, которая разматывается с выпуклой кривой а. Конец этой нити будет описывать некоторую кривую b, которая называется эвольвентой. Соответственно первая кривая a называется эволютой. Следовательно, задача о форме «щек» сводилась к построению эволюты к эвольвенте, являющейся циклоидой. Гюйгенсу удалось найти общий метод построения эволюты к кривой по ее алгебраическому уравнению. Оказалось, что эволютой циклоиды будет также циклоида, это решение определило форму «щек», а размер их определялся длиной маятника. В дальнейшем проблема зависимости периода маятника от его длины и связанная с этим теория центра качаний становится одной из центральных в творчестве Гюйгенса, но решение ее будет дано лишь спустя 13 лет в книге «Маятниковые часы». Промежуток времени, отделяющий «Часы» от «Маятниковых часов», наполнен множеством важных событий в его жизни — это период путешествий, новых знакомств и занятий, время, когда достижения Гюйгенса получают официальное признание, а он сам становится членом двух только что организованных крупнейших научных академий Европы.
Во второй половине XVII в. в научной жизни Европы происходят важные изменения вследствие того, что ученые начинают все больше ощущать давление государства и его вмешательство в их деятельность. Сам факт такого вмешательства наряду с отрицательными моментами имел и положительный, а именно начавшуюся институционализацию науки и связанное с ней улучшение научных связей, равно как и распространение научной информации. Мы видим также повсеместное увеличение числа людей, занимающихся научными исследованиями. Несмотря на то что во Франции спустя лишь 20 лет после смерти Декарта его сочинения были включены в Индекс запрещенных книг, а его философия подвергалась жестоким гонениям со стороны иезуитов, картезианство как философская система и как картина мира получило широчайшее распространение. Вместе с изменениями, произошедшими в жизни европейского общества, изменился и стиль мышления, в первую очередь ученых.
Одной из характерных черт этого сдвига была ощущаемая всеми потребность если не коллективной работы, то коллективного обсуждения научных проблем, причем регулярного обсуждения. Она реализовывалась и раньше в научных кружках, разбросанных по всей Франции, но все-таки занятия таких кружков носили отпечаток дилетантства. Теперь все более ощущалась потребность профессионализма, пусть еще не скоро достижимого, но цели мало-помалу определялись и направление процесса было всем очевидно. Подчеркнем, что процесс этот был общеевропейским, хотя наиболее внушительные результаты были достигнуты в Англии и отчасти во Франции.
Первой ласточкой нового движения было создание во Флоренции Академии опытов (Accademia del Cimento), которая по примеру Академии деи Линчей (Accademia dei Lincei) (распавшейся в 1630 г. после смерти ее организатора и покровителя князя Федерико Чези) замышлялась для пропаганды науки и «должна была способствовать расширению познаний в области физики путем коллективной деятельности своих членов, следуя методу, установленному Галилеем, на работы которого она опиралась» [19, с. 110]. Хотя Академия опытов просуществовала всего десять лет, ее деятельность стала вдохновляющим примером для других стран Европы. Результаты работ Академии были опубликованы в 1667 г. под заглавием «Очерки о естественнонаучной деятельности Академии опытов».
Часы, построенные Гюйгенсом
В Англии знаменитое Лондонское королевское общество возникло из частного кружка, с 1645 г. регулярно проводившего свои собрания в доме одного из членов, а с 1659 г. ? в Лондонском Грешэм-колледже. Членами этого «невидимого колледжа», как называл свой кружок один из его организаторов Роберт Бойль, были многие выдающиеся английские ученые, в том числе (кроме Бойля) Кристофер Рен, Джон Валлис, Вильям Нейл и Вильям Броункер. В 1660 г. частный кружок, получив поддержку и покровительство только что вступившего на престол Карла II, был преобразован в «Лондонское королевское общество для развития знаний о природе» — Royal Society of London for Improving Natural Knowledge.
Организация Общества была четко продумана. Прежде всего Общество стремилось (хотя и под покровительством короля) к независимости. Финансовая независимость определялась тем, что каждый член Общества платил вступительный взнос в полфунта стерлингов и еженедельный взнос в один шиллинг. Для того времени это были немалые деньги, особенно если учесть, что число членов в первый год существования Общества приближалось к сотне, а спустя десятилетие оно возросло вдвое (для сравнения заметим, что стипендия кембриджских аспирантов равнялась 4 фунтам в год [20, с. 100]. С другой стороны, независимость членов Общества определялась тем, что каждый мог свободно избирать тему и предмет своего исследования — они не диктовались ни уставом Общества, ни его патроном, королем. Общество декларировало лишь общие методы и цели исследований, и в этом смысле оно находилось под сильнейшим влиянием идей Бэкона, недаром на гравюре, открывающей первую книгу об истории Общества, написанную Томасом Спретом в 1667 г., мы видим символическую картину, на которой изображены король Карл II, президент Общества Броункер и Фрэнсис Бэкон.
В 1662 г. куратором Общества был назначен Роберт Гук, который выдвинул свою программу деятельности Общества, направленную на экспериментирование и практическое использование результатов научных исследований. Гук прежде всего указывал, что Общество не желает касаться метафизических, богословских и политических проблем, а его деятельность должна иметь своей целью усовершенствование и изобретение машин, механизмов и аппаратов, а также возрождение древних секретов, касающихся различных полезных вещей. Поэтому членами Общества могут быть не только ученые, но также и торговцы, моряки и ремесленники. Особенно подчеркивалась важность участия ремесленников. В значительной мере эти требования остались лишь пожеланиями, ибо в первые несколько лет существования Общества лишь одна десятая исследований была посвящена техническим приложениям, а в последующие годы и того меньше.
Работа Общества проходила в форме заседаний, на которых заслушивались и обсуждались работы его членов, причем все это проходило в обстановке полной свободы высказываний и уважения друг к другу. Вскоре Королевское общество завоевало во всем мире прочный авторитет, а что до самой Англии, то достаточно сказать, что уже в первые годы существования Общества практически все мало-мальски значительные ученые были его членами.
В деятельности Общества весьма важным было то обстоятельство, что начиная с 1664 г. стали регулярно печататься его труды «Philosophical Transactions», т. е. отчеты о работах, представленных на заседаниях, и их обсуждение, а также сообщения о различных научных работах и открытиях.
Philosophical Transactions
На французов, побывавших в Англии, деятельность Общества производила сильное впечатление — таковы, например, свидетельства Сорбиера [1, с. 269], но уже и в самой Франции давно шел тот же процесс институционализации науки. Небольшому кружку в Оксфорде и Лондоне соответствовало во Франции множество аналогичных кружков, обществ и «академий». С другой стороны, и государство уже сделало первые шаги в этом направлении, создав еще во времена Ришелье Французскую академию (1635), обязанности членов которой ограничивались лишь гуманитарной областью, а именно составлением словаря французского языка. При Кольбере, в царствование Людовика XIV, существование Академии рассматривалось как средство пропаганды идей абсолютизма, а также как средство контроля и управления научной деятельностью. Однако она не удовлетворяла в должной мере ни одному из этих требований. Работы по составлению словаря не продвигались должным образом, так как в Академии было немало людей, не имевших к этой работе ни склонностей, ни достаточной квалификации, а управление наукой не могло осуществляться, поскольку в Академии занимались лишь одной филологией. Тогда умный Кольбер решил вмешаться и исправить дело: ограничить функции Французской академии составлением словаря, а наряду с ней учредить «малую Академию» (ее задачей была пропаганда и прославление абсолютизма) и Академию наук, созданную по образцу флорентийской Академии опытов и Лондонского королевского общества.
Академия наук в Париже, как и Королевское общество в Лондоне, возникла, естественно, не на пустом месте. В начале 50-х годов XVII в. после распада Пюитанской академии и смерти Мерсенна научная жизнь столицы начала концентрироваться вокруг группы ученых, собиравшихся в доме Абера Монмора, высокопоставленного судебного чиновника. В эту группу входили многие члены кружка Мерсенна: Гассенди, Сорбиер, Робер-валь, Мариотт и др. Когда в 1666 г. Кольбер объявил об учреждении Академии наук, это было официальным признанием научного сообщества, существовавшего уже много лет — ее членами стали те самые люди, которые входили в кружок Мерсенна, а затем собирались еженедельно в доме Монмора (отметим, что король стал патроном Академии несколько позже — в 1669 г.). В отличие от Лондонского королевского общества работа Академии наук со дня ее основания определялась и направлялась государством. Ее члены получали государственную пенсию, и результаты их исследований оценивались по непосредственной пользе для промышленности и торговли. Примером этому может служить проблема определения долготы на море, а также составление карты Франции. Академия не имела и своего печатного органа, в котором бы публиковались результаты исследований, проводимых ее членами, как это было в Англии. «Journal des Sgavans» был основан в январе 1665 г., незадолго до учреждения Академии, парижским юристом, никак с ней не связанным. К тому же характер публикаций в журнале отличался от содержания «Philosophical Transactions» — он не отражал деятельность Академии, а состоял в основном из рецензий на выходящие книги, которые, впрочем, были написаны изящно и толково, что обеспечило журналу большую популярность во всей Европе.
Несмотря на эти отличия, Парижская академия наук выполняла по существу те же функции, что Лондонское общество. Интересно отметить, что инструкции Кольбера почти дословно повторяли программу Гука — члены Академии не должны были никогда говорить «на заседаниях ни о религиозных таинствах, ни о государственных делах. И если иногда и говорится о метафизике, морали, истории или грамматике, пусть даже мимоходом, то лишь в той мере, в какой это относится к физике и к отношениям между людьми» [19, с. 110].
Journal des Sgavans
В 1660 г. Гюйгенс отправляется в большое путешествие по Европе; он побывал в Антверпене, Брюсселе, Амстердаме и дважды в Лондоне и Париже. Еще в первый свой приезд в Париж в 1655 г. он познакомился с некоторыми из будущих членов Французской академии, теперь он возобновил старые знакомства и завел новые. В Париже он становится желанным гостем кружка герцога де Монмора, встречается с Сорбиером, Каркави, Дезаргом, Роо и Паскалем. Слава Гюйгенса настолько велика, что с ним желает познакомиться сам король — сначала ему дают аудиенцию Анна Австрийская и королева Мария-Тереза, а затем и сам Людовик XIV. Перед отъездом в Англию его принимает английская королева, жившая в то время во Франции. Не менее радушным был прием, оказанный Гюйгенсу на Британских островах, там он участвует в собраниях «невидимого колледжа»— будущего Королевского общества, где на него особенно большое впечатление произвели опыты Бойля с воздушным насосом, и когда Гюйгенс в мае 1661 г. возвратился на родину, работы, связанные с проблемой пустоты, привлекают его пристальное внимание.