Christiaan Huygens

Christiaan Huygens

14. 4. 1629–8. 7. 1695

Nizozemský matematik, fyzik a astronom, klíčová postava vědecké revoluce 17. století. Objevil Titan, vysvětlil skutečnou povahu Saturnova prstence, zkonstruoval kyvadlové hodiny a formuloval vlnovou teorii světla. S jeho jménem je spojen Huygensův princip, historická jednotka huygens pro vlnočet i kosmický modul, který přistál na Titanu.

Christiaan Huygens

Christiaan Huygens se narodil 14. dubna 1629 v nizozemském Haagu v rodině Constantijna Huygense, básníka, diplomata, hudebníka a sekretáře oranžských knížat. Otec byl přítelem Reného Descarta a zajistil synovi velmi kvalitní domácí vzdělání. Huygens se proslavil ve fyzice, astronomii, matematice, optice, mechanice i v konstrukci přesných hodin.

Do šestnácti let byl vzděláván doma otcem a soukromými učiteli. V letech 1645–1647 studoval na univerzitě v Leidenu matematiku a práva, mimo jiné u matematika Franse van Schootena. V letech 1647–1649 pokračoval na Oranžské koleji v Bredu. Po návratu do Haagu se stále více soustředil na matematiku, mechaniku a astronomická pozorování.

Christiaan Huygens
Christiaan Huygens, autor obrazu Caspar Netscher (1671)

Huygens autor

Ve vědeckých kruzích se Huygens prosadil nejprve jako matematik. Zabýval se geometrií, kuželosečkami, cyklometrií a úlohami, které navazovaly na antickou geometrii i na novou analytickou matematiku Descarta a Fermata. Mezi jeho rané práce patří zejména:

Souhrnné astronomicko‑filozofické dílo Cosmotheoros napsal Huygens roku 1694. Tiskem vyšlo až po jeho smrti roku 1698 a věnovalo se mimo jiné otázce světů u jiných hvězd.

Kniha Cosmotheoros od Christiaana Huygense
Christiaan Huygens, Cosmotheoros

Huygens astronom: Saturn a Titan

Roku 1655 odcestoval Huygens do Paříže. Téhož roku, 25. března 1655, objevil Titan, největší měsíc Saturnu a první objevený měsíc této planety. K pozorování použil dalekohled, který zkonstruoval společně se svým bratrem Constantijnem.

Huygens také rozluštil záhadu proměnlivého vzhledu Saturnu. Správně poznal, že planeta není obklopena dvojicí postranních „uší“, ale tenkým plochým prstencem, který se nedotýká povrchu planety a je k Zemi různě nakloněn. Tuto interpretaci si nejprve pojistil anagramem a plně ji zveřejnil v díle Systema Saturnium (1659).

Huygens se přitom domníval, že prstenec je pevné těleso. To byla pochopitelná, ale chybná představa. Dnešní výklad vychází z toho, že prstence tvoří velké množství částic ledu a hornin; jejich stabilitu matematicky vysvětlil v 19. století James Clerk Maxwell a později ji přímo zkoumaly kosmické sondy.

Saturnův měsíc Titan
Saturnův měsíc Titan, fotografie sondy Cassini‑Huygens

Na počest Christiaana Huygense nese jeho jméno evropský modul mise Cassini‑Huygens (NASA/ESA/ASI, 1997–2017). Dne 14. ledna 2005 přistál modul Huygens na povrchu Titanu. Šlo o první a dosud jediné přistání sondy na tělese ve vnější sluneční soustavě.

Kyvadlové hodiny a měření času

Huygens navázal na předchozí výzkum kyvadla a roku 1657 získal patent na kyvadlové hodiny. Jejich přesnost byla proti starším hodinám zásadním zlepšením a měla velký význam pro astronomii, fyzikální měření i námořní navigaci.

Nákres kyvadlových hodin
Kyvadlové hodiny, Christiaan Huygens, Opera varia

Teorii kyvadlových hodin podrobně zpracoval v knize Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum (1673). Nešlo jen o hodinářský spis: Huygens zde rozvíjel matematickou teorii kyvadla, křivek, cykloidy a mechaniky pohybu.

Mechanika a dostředivé zrychlení

Při studiu kruhového pohybu Huygens odvodil vztah pro dostředivé zrychlení:

a = v2 / r

Výsledky k odstředivé síle formuloval kolem roku 1659 a publikoval je později v souvislosti s dílem Horologium Oscillatorium. Jeho práce patří k důležitým krokům mezi geometrickou mechanikou 17. století a Newtonovou syntézou pohybu a gravitace.

Roku 1660 Huygens znovu odcestoval do Paříže a o rok později do Londýna. Roku 1663 byl zvolen členem londýnské Královské společnosti (Royal Society).

Vlnová teorie světla

Christiaan Huygens je jedním z nejvýznamnějších autorů rané vlnové teorie světla. Roku 1678 předložil pařížské Académie royale des sciences spis Traité de la lumière (Pojednání o světle). Tiskem vyšel až roku 1690 v Leidenu.

Huygens z představy světla jako vlnění odvodil přímočaré šíření světla, zákon odrazu a zákon lomu. Zvlášť významný byl jeho výklad dvojlomu v islandském vápenci (kalcitu), kde uvažoval dvě různé vlnoplochy.

Základní myšlenka, dnes nazývaná Huygensův princip, říká, že každý bod vlnoplochy lze chápat jako zdroj elementárních vln a nová vlnoplocha vzniká jako jejich obálka. Huygens tento princip použil k geometrickému výkladu šíření světla.

Po Huygensově době vlnová teorie na dlouhou dobu ustoupila vlivu Newtonovy korpuskulární teorie. Znovu ji prosadili Thomas Young a Augustin‑Jean Fresnel, který Huygensův princip rozšířil o interferenci a difrakci. Dnešní formulace se proto často označuje jako Huygensův‑Fresnelův princip.

Podpis C. Huygense
Huygensův podpis

Jednotka huygens a vlnočet

Historická jednotka huygens se vyskytuje u vlnočtu. Vlnočet udává počet vln na jednotku délky a v soustavě SI se zapisuje v m−1. V praxi se u spektroskopie často používá také cm−1. Jednotka huygens dnes nepatří mezi běžné jednotky SI; na stránce je vhodná hlavně jako historická eponymická souvislost.

Huygens v praxi

Huygensův odkaz je praktický ve více oblastech. V měření času ukázaly kyvadlové hodiny cestu k výrazně přesnějším přístrojům. V optice se Huygensův princip používá při výkladu šíření vln, lomu, odrazu, difrakce a interference. V astronomii patří jeho práce o Saturnu a Titanu k příkladům toho, jak kvalitnější optické přístroje mění obraz vesmíru.

Pro web o jednotkách je důležitá také vazba na frekvenci, vlnočet a rychlost světla. Vlna může být popsána frekvencí f, vlnovou délkou λ a rychlostí šíření v; v jednoduchém případě platí v = f · λ. Právě tyto vztahy propojují Huygensovu vlnovou optiku s měřením délky, času a frekvence.

Ocenění a uznání

Huygens patří k vědcům, jejichž jméno zůstalo spojeno s trvalými pojmy fyziky, astronomie a metrologie. Připomínají jej Huygensův princip, historická jednotka huygens, kosmický modul Huygens i astronomická pojmenování.

Do Haagu se Huygens vrátil roku 1681 z důvodu zhoršeného zdraví a také jako protestant v době náboženského napětí ve Francii. Roku 1689 navštívil Anglii, kde se setkal s Isaacem Newtonem. Christiaan Huygens zemřel 8. července 1695 v Haagu a byl pohřben v Grote Kerk (Sint‑Jacobskerk) ve stejném hrobě jako jeho otec.

Časté otázky

Co je Huygensův princip?

Huygensův princip říká, že každý bod vlnoplochy lze považovat za zdroj elementárních vln. Nová vlnoplocha vzniká jako obálka těchto vln. Princip pomáhá vysvětlit šíření, lom a odraz světla.

Co Huygens objevil u Saturnu?

Roku 1655 objevil Titan, největší měsíc Saturnu. V díle Systema Saturnium z roku 1659 také správně vysvětlil, že zvláštní vzhled Saturnu způsobuje tenký prstenec kolem planety.

Proč jsou Huygensovy kyvadlové hodiny důležité?

Kyvadlové hodiny významně zlepšily přesnost měření času. To bylo důležité pro astronomii, navigaci, fyzikální experimenty i pozdější vývoj hodinářství.

Co znamená jednotka huygens?

Huygens je historická jednotka spojená s vlnočtem. V současné soustavě SI se vlnočet vyjadřuje v m−1; ve spektroskopii se často používá cm−1.

Jak souvisí Huygens s Fresnelem?

Fresnel navázal na Huygensovu vlnovou představu a doplnil ji o interferenci. Proto se v optice mluví o Huygensově‑Fresnelově principu.

Související

Zdroje a další informace