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胡克

2010-11-17 09:11:35
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   罗伯特·胡克对当时科学的贡献足以和牛顿、玻意耳、惠更斯、雷恩等人相媲美。胡克是一个全才式的人物,他以惊人的动手技巧和创造能力对当时的天文学、物理学、生物学、化学、气象学、钟表机械、天文学、生理学等学科都做出过重要贡献,同时在艺术音乐和建筑方面也颇有建树,被誉为“英国的达芬奇”。尽管胡克并不贫穷,但是他的日子过得实在不怎么样,晚年生活更是灾难性的。其中主要的原因是在发现“平方反比关系”优先权的争夺中得罪了牛顿。此外,在发现螺旋弹簧振动周期的等时性方面,是胡克在先还是惠更斯在先也存在争论。通过胡克的日记朋友间的通信,发现许多原以为是雷恩设计的建筑很可能是胡克设计的,其中包括著名的格林尼治皇家天文台和为纪念1666年伦敦大火而建造的纪念碑等。胡克常被描绘成一个忧郁的修道士般的老处男(胡克终身未婚),但是,他的日记显示出他是一个善于交际的、拥有很多朋友的人。

   罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635—1703)于1635年7月18日出生于英格兰南部威特岛的弗雷施瓦特,父亲是当地的教区牧师。胡克从小身体不好,他父亲舍不得将他送去要求严厉的寄宿学校,自己在家教授胡克。胡克从小就表现出学习和动手天赋。1648年,胡克的父亲去世,年仅13岁的胡克来到伦敦,在当时著名的画师彼得·莱利那里学习绘画。胡克只花了一星期就掌握了欧几里得《几何学原理》前六卷,还发明了飞行器、学会了拉风琴等。在威斯特敏斯特学校校长的热心帮助下,胡克修完了中学课程。1653年,胡克进入牛津大学里奥尔学院作为工读生学习。胡克热心于参加医生和学者活动小组,并且显露出独特的实验才能。1655年胡克成为牛津大学威力斯的助手,还被推荐到玻意耳的实验室工作。由于他的实验才能,1662年被任命为皇家学会的实验主持人,为每次聚会安排三、四个实验,1663年获硕士学位,同年被选为皇家学会正式会员,又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员。1665年,胡克担任格列夏姆学院几何学、地质学教授,并从事天文观测工作。1666年伦敦大火后,他担任测量员以及伦敦市政检查官,参加了伦敦重建工作。1677年至1683年就任英国皇家学会秘书并负责出版会刊。学会的工作条件使他在当时自然科学的前沿(如机械仪器改制、弹性、重力、光学,乃至生物、建筑、化学、地质等方面)作出了自己的贡献。1676年,胡克发表了著名的弹性定律。1703年3月3日,胡克逝世于伦敦,终年68岁。
    胡克是17世纪英国最杰出的科学家之一。他在力学、光学、天文学等诸多方面都有重大成就。胡克研究的面十分广泛,如建筑、化石、气象等,他都有所涉猎和贡献。但作为科学家的素养,胡克还缺少熟练雄厚的数学与逻辑推理功力作为进行研究和思维的武器,这样便不容易从理论和实践的结合上透彻地分析与解决问题。这也是胡克与牛顿、惠更斯相比的逊色之处。
 1、力学方面的探索与发现
 胡克在力学方面贡献尤为卓著。他从1661年开始积极参加了皇家学会研究重力本质的专门委员会活动。1674年,胡克发表了《从观察角度证明地球周年运动的尝试》的论文。胡克在1679年给牛顿的信中正式提出了引力与距离平方成反比的观点,但他并没有将自己的引力思想如牛顿所作的那样用数学式子表示出来,并用太阳、地球、月亮、行星和地球上物体的运动实例来加以验证。胡克的想法对牛顿完成万有引力的研究起到了积极的启示作用的
 胡克定律是力学基本定律之一。适用于一切固体材料的弹性定律,它指出:在弹性限度内,物体的形变跟引起形变的外力成正比。胡克定律的表达式为F=kx,其中k是常数,是物体的劲度(倔强)系数。在国际单位制中,F的单位是牛,x的单位是米,它是形变量(弹性形变),k的单位是牛/米。为了证实这一定律,胡克还做了大量实验,制作了各种材料构成的各种形状的弹性体。他还进一步把弹性应用于实际问题。在宣布弹性定律的同时还进行了简谐运动的最早分析,证明了弹簧振动是等时的。由此,他把弹簧应用于钟表制造,取得了巨大成功。弹簧的串并联问题。串联:劲度系数关系1/k=1/k1+1/k2。并联:劲度系数关系k=k1+k2,弹簧越串越软,越并越硬。

                  
  2、光学及其他方面的贡献
  胡克支持光的波动学说,并进一步提出了光波是横波的概念1672年,他进一步指出,光振动可以垂直于光传播的方向。他对光的干涉现象也作过研究,研究了云母片的颜色,确认光现象随地云母片厚度的变化而变化。
 1665年,胡克发表了《显微制图》一书,这是在他全部成就中最重要的一部著作,奠定科学天才声望,也是欧洲17世纪最主要的科学文献之一。他开始应用显微镜于生物研究,并使用“细孔”和“细胞”来说明观察到的微小物体。“细胞”(cell)一词从此被生物界直接采用。胡克的这一发现,引起了人们对细胞学的研究。现在知道,一切生物都是由无数的细胞所组成的。此外,他还发现了细胞壁。胡克对细胞学的发展作出了极大的贡献。其实,胡克出生之前很久显微镜就被发明和制造出来,直到胡克出版了他的《显微制图》一书,科学界才发现显微镜给人们带来的微观世界。在《显微制图》一书中,胡克绘画的天分得到充分展现,书中包括58幅图画,在没有照相机的当时,这些图画都是胡克用手描绘的显微镜下看到的情景。可惜的是,胡克自己的画像却一张也没有留存下来,据说唯一的一张胡克画像毁于牛顿的支持者之手。《显微制图》一书为实验科学提供了前所未有的既明晰又美丽的记录和说明,开创了科学界借用图画这种最有力的交流工具进行阐述和交流的先河,为日后的科学家们所效仿。
  3、胡克通过皇家学会还进行了许多有关化学燃烧理论、呼吸、地质、地震、海洋等方面的研究。他认为燃烧和人的呼吸相似。缺乏空气,灯会熄灭;用风箱将新鲜空气有规则地注入开有小孔的狗的肺部,还能使小狗的心脏维持跳动一个多小时,说明呼吸的作用是给动物供给新鲜空气。胡克在《地震讲义》和《关于地面经常发现贝壳和共它海栖动物残骸的原因》等论著中,强烈反对圣经中的神创论。他提出了地貌变化的思想,并且认为由于地貌变化引起了生物的变化,化石则是古动物的残骸,是地球演变史中的“纪念碑”,人们可以根据这些化石,认识地球的历史。胡克在进化论出现以前提出这些观点是可贵的。 在天文观测方面,胡克与卡西尼、惠更斯一起最早仔细观测木星表面的天文学家,1664年5月,他在最大的木星上看到一个小圆斑,并断定那是木星本身带有的一个永久性标志,而不是木星卫星投下的阴影。胡克对月球、彗星、太阳等天体都有独到的研究,临死前一年还在研究如何更加精确地测定太阳的直径。
  4、卓越的仪器制造家
  胡克在仪器的制造和改进方面的特长在其担任玻意耳的助手时就显露出来。他协助玻意耳改进抽气机、制造了复式显微镜、轮式气压计、摆钟、海洋测深仪、海水取样器等等。玻意耳用的几乎所有科学仪器都是胡克制造或设计的,抽气机就是一个非常经典的例子。玻意耳在正式出版的论文中亲切地将胡克制造的机器称为“我们的抽气机”。胡克制造的抽气机使波义耳研究真空和燃烧理论时如虎添翼。胡克还拥有复式显微镜、平衡摆轮(机械表擒纵结构的零件之一,利用来回摆动将时间分割为同等区段的装置)、格雷高利望远镜(由詹姆斯·格雷高利于17世纪60年代提出,但由胡克于1674年首次制造成功)、汽车中的万向节等影响深远、使用广泛的发明。他还建议用液体的凝固点及膨胀或收缩程度来作为温标刻度的根据。胡克曾经设计的一架大型的“气候钟”,可以测量和记录风力、风向、温度、压强、和湿度、降雨量等。他在实验方面的创造性才能,对皇家学会初期开展的实验为基础的研究做出了巨大的贡献,被称为“皇家学会的台柱”。17世纪60年代早期,胡克还形成了自己的燃烧理论。他认为空气拥有两种特性不同的成分:可以与其他物质反应产生燃烧或爆炸的含“氮”成分,剩下的就是惰性物质。由于胡克和玻意耳对皇家学会起着积极的作用,因而人们称颂他们:“如果说玻意耳是皇家学会幕后的灵魂,那么胡克提供学会的就是双眼和双手了。”16和17世纪的欧洲科学被称为“新科学”,库恩将这个时期发生的科学革命“视为一系列发生在具体科学内部的、在相当程度上相互独立的较轻微革命的综合过程”。在这个综合过程的诸多较轻微革命中,都有罗伯特·胡克这个科学天才的杰出贡献。

小贴士 胡克手稿

      一份被尘封了300多年的手稿,一份由古怪斜体字写成的手稿,于2006年3月重见天日,被以百万英镑的天价拍卖。“接着,一连串显赫的名字出现了:雷恩、莱布尼茨、奥布里、伊夫林、牛顿。逐渐地,我开始意识到这是罗伯特·胡克的字迹。那真是一个不可思议的时刻啊!”这份由物理学家罗伯特·胡克——一个被低估的大科学家执笔的手稿记录了英国皇家学会20多年时间中的很多次内部会议,以及发生在惠更斯、牛顿等著名科学家之间的一桩桩公案。其实就在不久前,这份不同寻常的胡克手稿还在英国汉普郡一户人家一个陈旧的碗橱里默默蒙尘。后来,因为这家人正好有陈年旧货需要清出,于是请了伯罕斯拍卖行的工作人员上门服务,对家里那些有点年头的玩意儿进行鉴别,从已经积尘的旧碗橱底部掏出了那卷长达520页的手稿。内容包括英国皇家学会1661至1682年的会议记录,以及胡克本人的一些笔记。虽然已经年代久远,但泛黄的稿纸上,一些当年的批注依然十分清晰。手稿中还包含着一些在当时堪称天才的设想和实践,其中一份日期为1679年12月的文档就记录了胡克与牛顿、雷恩往来信件的内容,其中雷恩曾提议通过发射子弹的实验来证实地球自转:他建议胡克和牛顿以一个垂直点为中心,每天向着一个特定的角度向空中射一枪,看看掉下来的弹壳是否能组成一个圆圈,以此验证他们的假设。而除了这样的“实验设计”外,手稿中还有一些扎扎实实的试验结果,比如最早用显微镜观察到细菌和微生物的详细记录。这份胡克手稿一经公布,便被科学史家视为“见证现代科学起源”的珍贵资料,它能够有效地弥补科学史上“缺失一环”。作为科学家,胡克有着渊博的学识,正像手稿中记录的很多奇思妙想一样,胡克一直在科学之路上不断探索。在理论方面,胡克在光学和力学领域创下了多个“第一”:他是第一个意识到光是由光波组成的物理学家,是早期探索万有引力的科学家之一,并发现了让其留名的胡克定律;他也是第一个通过观测木星上的红斑移动发现木星星体自转的人;而现在已经为人们耳熟能详的“细胞”一词,据称就是由胡克最先使用的,因为他也是第一个通过显微镜来研究植物细胞的人。

  除了在自然学科上取得成果外,胡克在人文艺术领域也留下了大名。科学家出身的胡克也是一位建筑大师,虽然人们以前就知道1666年伦敦大火后他担任测量员及伦敦市政检查官,参加了伦敦重建工作,但通过胡克的日记和朋友间的通信,才发现许多原先以为是雷恩设计的建筑,很可能是出自胡克之手,其中就包括著名的格林尼治皇家天文台以及为纪念1666年伦敦大火而建造的纪念碑。胡克在美术方面同样有不俗造诣,他13岁的时候就师从当时著名的画师彼得·莱利爵士学习绘画,后来这一特长也在其科研中发挥了作用——在奠定胡克学术地位的《显微制图》一书中,胡克绘画的天分得到充分展现,在没有照相机的当时,书中配上的58幅图画都是胡克亲手描绘的在显微镜下看到的情景。胡克是一个全才式的人物,他的贡献是多方面的,这点从他手稿中就显露无疑。他以惊人的动手技巧和创造能力对当时的天文学、物理学、生物学、化学、气象学、钟表和机械、天文学、生理学等学科都做出过重要贡献,因此被誉为“英国的达芬奇”。在之后三百多年的时间里,胡克之所以逐渐变得默默无闻,这多半是和他留下来的书面成果太少有关,可是当史家们进一步研究胡克手稿中的记录和通信后,又发现了他被世人遗忘的一个深层原因——这是由胡克本人的性格悲剧造成的,胡克脾气暴躁,他的好斗性和其学术成就在当时一样有名。就像伦敦大学的莉萨·贾汀教授在翻阅了手稿后所说的:“这份手稿里有很多至关重要的新证据,揭示了胡克和皇家学会的一些人长期不和。”出于种种原因,胡克和当时很多人交恶,其中包括大名鼎鼎的科学家惠更斯和牛顿,而当这些人一旦无限风光之后,难免不有些小动作来联合封杀得罪过他们的老胡克。具有讽刺意味的是,胡克从奥登博格的记录中撕下了这一页,并把它贴在了自己的手稿中,而这样一来,可害苦了后世的科技史家。

  就在格林尼治天文台成立前后,荷兰物理学家惠更斯1675年宣布,自己发明了一种可以精确计时的钟表,它能通过细小的弹簧装置来校正调节时间。这种标在测量经线长度的时候是不可或缺的。当听到惠更斯的发明后,胡克勃然大怒,他拿出了5年前提交给皇家学会的他设计的同类钟表。他当时就已经发现,一根螺旋式弹簧丝的振荡是等时的,所以使用这种弹簧丝可以用来调节计时器,胡克怀疑,有“内鬼”把他的设计泄露给了惠更斯,于是开始调查这起“卑鄙无耻”的泄密行为。那段时间,他翻阅了皇家学会的每一页记录,但最终却没有找到任何真凭实据。此次发现的手稿中显示,胡克并没有放弃他的怀疑,而是事无巨细地继续阅读着皇家学会的会议讨论记录,期望以此来找到证据。也许是功夫不负有心人,他终于发现1670年6月23日的记录有些瑕疵。当时胡克的前任亨利·奥登博格在记录中写道:“胡克利用钟摆的等摆原理独立设计制造出一种钟表。”可能是出于某种失误,奥登博格接下来再没有就胡克的这项发明作进一步的记录,而其后这项设计可能因故被泄露。具有讽刺意味的是,胡克从奥登博格的记录中撕下了这一页,并把它贴在了自己的手稿中。胡克最先设计出可测量经线长度的精确钟表。在牛顿强大话语霸权压力下,胡克至死也没有得到应有的承认。他甚至连一幅画像也没留下来,有人称正是牛顿利用职权毁弃了胡克的遗物,作为最后的报复。

  万有引力定律作为经典的三大定律之一,早已被牢牢地归在牛顿名下,以至于那个苹果掉下来砸到头的故事,几乎被每本教科书广泛引用,使果园变成了不亚于图书馆的读书好去处。但有些“疑古”的科学史家却毫不信邪,他们始终认为引力定律就是那份手稿的主人——胡克的发现。胡克在力学和行星运动方面花过许多心血,早在1661年,胡克凭借在科学上敏锐的洞察力,觉察到引力和地球上物体的重力有着某种的本质联系。1662年和1666年,他曾分别在山顶上和矿井下用测定摆槌周期的方法做实验,试图找出物体的重量随离地心距离而变化的关系。1674年胡克根据修正的惯性原理,提出了行星运动的理论。在发表的《试证地球的运动》中,他详细阐述了研究行星运动理论的成果:一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力;天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变;离吸引中心越近,吸引力越大;行星的运动是惯性、外在引力和自身引力共同作用的结果。简而言之,胡克认为,地球和地球上的物体之间肯定有某种吸引力,如果没有这种引力的话,那么地球在自转的时候,这些物体就会像雨伞上的水珠一样,因旋转而向四周飞散。1679年,胡克找到了引力的平方反比定律。虽然以前他和牛顿在光的波粒问题上存在一些争论,但他还是写信给在力学方面有着不俗造诣的牛顿,提出了自己的研究设想,想交流切磋一下。在1680年1月6日寄给牛顿的信中,胡克讲到了引力大小与距离的平方成反比这个概念,但是当时他在信中说得比较模糊,并未将这一理论加以量化。牛顿后来虽然从不肯承认从胡克那里得到了一些启发,但明察秋毫的科学史家则认为胡克的信件给了牛顿关键性的帮助。《自然哲学的数学原理》发表后,直拗的胡克还是要求牛顿承认,是他优先发现平方反比定律的,起码要在书的前言里将他对牛顿启发的“功绩”提及一下。由于没有得到牛顿的有效回应,胡克在1693年的皇家学会会议上再次正式提出他发现万有引力的优先权。面对胡克如此接二连三“不识相”的行为,牛顿暴跳如雷,他一直认为万有引力完全是个人的发现,所以一气之下把《自然哲学的数学原理》里大部分涉及对胡克的引用都通通删掉,剩下少数实在无法避免的,用词也从“非常尊敬的胡克先生”变成不顾基本礼仪的“胡克”两字。得益于《自然哲学的数学原理》出版,在牛顿强大话语霸权的压力下,可怜的胡克至死也没有得到应有的承认,1703年3月3日,胡克在落寞中去世。美国加州大学桑塔克鲁兹分校的马绍尔·纳恩伯格教授在分析了最近发现的胡克手稿后,得出一个相对中肯的结论:胡克在引力问题上的认识比人们一直以来所知道的深刻得多,他所采用的证明手法也和牛顿后来在《自然哲学的数学原理》中所使用的类似。万有引力定律的发明权仍应归于牛顿,可是胡克显然在其中占有重要甚至关键的地位。
 

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