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罗伯特·胡克

An artist's impression of Robert Hooke. No authenticated contemporary likenesses of Hooke survive

罗伯特·胡克(Robert Hooke,又译虎克,1635年7月18日~1703年3月3日),英国博物学家、发明家。在物理学研究方面,他提出了描述材料弹性的基本定律——胡克定律,且提出了万有引力的平方反比关系。在机械制造方面,他设计制造了真空泵、显微镜和望远镜,并将自己用显微镜观察所得写成《显微术》一书;“细胞”的原文:cell,即由他命名。中文翻译后即称为细胞。在新技术发明方面,他发明的很多设备至今仍然在使用。除去科学技术,胡克还在城市设计和建筑方面有着重要的贡献。但由于与牛顿的论争导致他去世后鲜为人知,近来对胡克的研究逐渐兴起。胡克也因其兴趣广泛、贡献重要而被某些科学史家称为“伦敦的莱奥纳多(达芬奇)”。

 

生平简介

 

罗伯特·胡克,英国物理学家、天文学家。1635年7月18日生于英国威特岛西端的弗雷施瓦特。其父亲约翰·胡克是当地的助理牧师。胡克从小就表现出对机械制造和绘画的浓厚兴趣和创造力,画家约翰·霍斯金斯曾看到过小胡克在用他自己从煤炭,红土和白垩作出的颜料作画,认为他有绘画天赋。1648年胡克父亲去世,胡克到伦敦谋生,在约翰霍斯金斯推荐下,成为肖像画家彼得·雷利(Peter Lely)的学徒。不久胡克离开画室进入威斯敏斯特学校读书。校长理查德·巴斯比很看重他的天赋,免除了他的学费,后来两人成了很好的朋友。胡克在威斯敏斯特学校学习了拉丁文,希腊文和欧几里德的《几何原本》等。约翰·威尔金斯(John Wilkins)和天文学家塞斯·沃德(Seth Ward)也注意到胡克在机械制作上的创造力和技巧,并且引导他开始学习物理,天文,和医药化学。1653年胡克得到牛津大学教堂的唱诗班的工作。

1653年入牛津基督教会学院后胡克结识了玻意耳。1655年胡克成为玻意耳的助手。1662年起直到逝世一直担任皇家学会实验管理员。1663年胡克获得了牛津大学文学学士学位,并且被选为皇家学会会员。1665年胡克任格雷山姆学院几何学、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。1676年他公布了著名的弹性定律。1677年到1682年任皇家学会干事。1703年3月3日逝世于伦敦,终年68岁。

Boyle-hooke波义耳-胡克墙,两人最早的实验室所在

 

科学研究

 

早期研究

 

1655年物理学家,化学家罗伯特·波义耳应主持牛津大学改革的威尔金斯的邀请,前往牛津建立实验室。胡克得以与波义耳相识,并成了罗伯特波义耳的研究助手。1658-1661年波义耳和胡克对德国发明家奥托·格里克发明的气泵进行改进,并进行了气体的压强和体积的研究,提出了波义耳定律。同时胡克接受了波义耳在《怀疑派的化学家》一书中对四元素说的反驳,并注意到了燃烧的放热现象,他将其与某些物质的溶解放热相类比,认为燃烧是可燃物中含有的“硫素”溶解于空气的过程,但并未发表。

1662年,在皇家学会会长罗伯特·默雷(Robert Moray)和波义耳的提议下,胡克任皇家学会的试验负责人,负责维护试验仪器,验证和演示实验。由于皇家学会初创,没有资金来源。胡克拿不到薪水,只能仍靠在唱诗班的工作度日。为了解决窘境,胡克设计了一些实验,在国王面前演示,争取到了王室对皇家学会的一些资助。1664年开始胡克开始担任格雷汉姆学院的几何学教授。

Hooke's microscope, from an engraving in Micrographia

 

显微镜与望远镜

 

1665年胡克根据英国皇家学会一院士的资料设计了一台复杂的复合显微镜。有一次他从树皮切了一片软木薄片,并放到自己发明的显微镜观察。他观察到了植物细胞(已死亡),并且觉得他们的形状类似教士们所住的单人房间,所以他使用单人房间的cell一词命名植物细胞为cellua。是为史上第一次成功观察细胞。

RobertHookeMicrographia1665----Cell structure of Cork by Hooke

Hooke's microscope

 

同年胡克出版了《显微术》一书,该书包括了一些他使用显微镜或望远镜进行的观察,包括上述的软木切片。 胡克所用的显微镜至今仍然保存在华盛顿国家健康与医学博物馆中。荷兰工匠列文虎克受《显微术》一书启发,对胡克的显微镜镜片进行了改进,对微生物进行了细致的观察,被称为微生物学之父。胡克随后被皇家学会要求确证列文虎克的发现并予以发表。

1663年苏格兰天文学家格里高利设计了格里高利望远镜,但在制造时失败了。10年后胡克利用自己高超的机械设计技术成功建设了第一个这种反射望远镜,并使用这一望远镜首次观测到火星的旋转和木星大红斑,月球上的环形山和双星系统。

 

技术革新与胡克定律

 

胡克对当时的机械进行了很多改造,并发明了很多新装置。他发明了锚型擒纵机,也发明了摆轮游丝,通过这一装置,可以按周期控制发条宽紧,至今仍是钟表制作中的关键部件。他也因为这一装置的优先权问题和荷兰物理学家惠更斯产生了长期的争论,直到2006年在英国汉普顿郡一家人的橱柜中发现了胡克的关于皇家学会会议的记录,提供了对胡克有利的证据。他第一个制造出了万向接头,有时候被叫做胡克接头,可以允许刚性杆向任意方向运动,现在仍广泛应用于车辆的传动装置中。虽然意大利数学家卡尔达诺一世纪前就提出了万能接头的想法,但是没有制造出。还有风向仪,水平仪等装置的发明权也常常归功于他。

万向接头,又称胡克接头

1676年胡克对金属器件,特别是弹簧的弹性进行研究后,发表了一条拉丁语字谜,ceiiinosssttuv。(这是当时惯例,如果还不能确认自己的发现,则先把发现打乱字母顺序发表,确认后再恢复正常顺序。)两年后公布了谜底ut tensio sic vis,意思是“力如伸长(那样变化)”即应力与伸长量成正比的胡克定律。

 

建筑师胡克

 

1666年9月伦敦大火,大部分伦敦建筑被毁。查理二世命令克里斯多佛·雷恩爵士负责城市建筑重建,雷恩提名胡克负责受灾情况的调查和统计。在随后的重建过程中,胡克负责了近一半的调查,测量和调解地产纠纷的工作,并协助设计了伦敦大火纪念碑,格林尼治天文台等建筑。胡克曾在皇家学会提出一个重建方案,主张将伦敦的道路改建成类似香榭里舍大街的宽敞的林荫道风格,但由于地产所有人对划界问题争论不休,使得这一方案未能实行,于是重建后的伦敦仍保持了中世纪的道路风格。但后来新兴的利物浦和很多美国城市都使用了胡克提倡的风格。

Willen教区教堂,唯一一座完全由胡克设计且保存完好的建筑,被认为是早期英国巴洛克风格的典范

 

胡克与牛顿

 

胡克和牛顿的关系问题一直充满了争论。一般认为,两人彼此存在较大的敌意。争论起源于光学,1672年牛顿在皇家学会阐述自己的观点,认为白光经过棱镜产生色散,分成七色光,他将其解释为不同颜色微粒的混合与分开,遭到主张波动说的胡克的尖锐批评。牛顿大怒,称胡克完全没有理解自己这一划时代发现的意义,并威胁要离开皇家学会。这使得主张微粒说的牛顿一直将已完成的著作《光学》延迟到胡克过世后才出版。光学出版后,奠定了微粒说的统治地位,直到一百多年以后的菲涅耳才重新发现胡克的波动思想。

1674年-1679年间两人曾通信讨论物体的圆周运动问题,胡克给牛顿写信,说明了他从1660年以后就有的平方反比定律(见万有引力定律)的思想,但是他无法从中推导出开普勒的行星运动定律。通信中出现了常被引用的名言:“如果我看得远一些,那是因为我站在了巨人的肩膀上”一些研究者认为这句话是在讽刺胡克矮小,但考虑上下文并无此意。1684年1月胡克在和爱德蒙·哈雷,雷恩的谈话中声称他已经完成推导,但是哈雷和雷恩并不相信,哈雷随后告诉了牛顿。牛顿则表示在他已经完成的《自然哲学的数学原理》中有推导,哈雷随后促成此书出版,这件事使得胡克十分怀疑牛顿剽窃了他的成果,并从此不愿意公开自己的任何发现。牛顿也因此删去了手稿中所有引用胡克工作的声明。

牛顿对胡克的敌意在胡克去世后仍未消减。在牛顿影响下,皇家学会取下了胡克的肖像。这可能是胡克没有留下任何肖像的原因。牛顿还试图烧毁大量胡克的手稿和文章,但被阻止。2003年历史学家Lisa Jardine宣称发现了他的肖像, 随后被证明这一画像实际上是尼德兰化学家海尔蒙特。胡克所用的印章上的人头像也被人认为是胡克的像。1728年的钱伯斯百科全书的首页插画也被认为是胡克的半身像。

 

晚年和身后

 

1677年皇家学会秘书亨利·奥登博格去世,胡克继任秘书,在沉重的实验安排之外还要负责管理文档和记录会议等任务。胡克觉得自己无法完成这么沉重的工作,希望皇家学会可以配备助手,但是被拒绝。繁忙的工作,时常的拖欠薪水,以及和牛顿,惠更斯的争论,使得胡克晚年近乎愤世嫉俗。

胡克终身未婚,他的侄女作为女主人接待宾客,1687年她的去世使胡克受到很大打击。1700年起胡克双目失明,两腿浮肿,出现类似糖尿病的症状。1703年3月3日在伦敦去世,死后在他房间中发现达1万英镑的积蓄,相当于当时一个成功的银行家的财产。胡克去世后,葬于圣海伦主教门教堂(St.Helen's, Bishopsgate),19世纪迁葬于伦敦北部,具体墓地已无法知晓。

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科学贡献

 

光学贡献

 

胡克是15世纪英国最杰出的科学家之一。他在力学、光学、天文学等多方面都有重大成就。他所设计和发明的科学仪器在当时是无与伦比的。他本人被誉为英国的“双眼和双手”。

在光学方面,胡克是光的波动说的支持者。1655年,胡克提出了光的波动说,他认为光的传播与水波的传播相似。1672年胡克进一步提出了光波是横波的概念。在光学研究中,胡克更主要的工作是进行了大量的光学实验,特别是致力于光学仪器的创制。他制作或发明了显微镜、望远镜等多种光学仪器。

Christiaan_Huygens-painting

 

力学贡献

 

胡克在力学方面的贡献尤为卓著。他曾为研究开普勒学说作出了重大成绩。在探讨万有引力的过程中,他首先发现了引力和距离平方成反比的规律。在研究引力可以提供约束行星沿闭合轨道运动的向心力问题上,1662年和1666年间,胡克做了大量实验工作。他支持吉尔伯特的观点,认为引力和磁力相类似。1664年胡克曾指出彗星靠近太阳时轨道是弯曲的。他还为寻求支持物体保持沿圆周轨道的力的关系而作了大量实验。1674年他根据修正的惯性原理,从行星受力平衡观点出发,提出了行星运动的理论,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,但由于缺乏数学手段,还没有得出定量的表示。

罗伯特·胡克

 

胡克定律

 

胡克定律(弹性定律),是胡克最重要发现之一,也是力学的最重要基本定律之一。在现代,仍然是物理学的重要基本理论。胡克定律指出:“在弹性限度内,弹簧的弹力f和弹簧的长度变化量x成正比,即f = -kx。k是物质的弹性系数,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。”为了证实这一事实,胡克曾做了大量实验,包括各种材料所构成的各种形状的弹性体。

Drawings of the Moon and the Pleiades from Hooke's Micrographia

 

天文生物

 

胡克在天文学、生物学等方面也有贡献。它曾用自己制造的望远镜观测了火星的运动。1663年英国科学家罗伯特胡克有一个非常了不起的发现,他用自制的复合显微镜观察一块软木薄片的结构,发现它们看上去像一间间长方形的小房间,就把它命名为细胞。用自己制造的显微镜观察植物组织,于1665年发现了植物细胞(实际上看到的是细胞壁),并命名为“cell”,至今仍被使用。

Hooke noted the shadows (a and b) cast by both the globe and the rings on each other in this drawing of Saturn

 

发明创造

 

胡克的发现、发明和创造是极为丰富的。他曾协助玻意耳发现了玻意耳定律。他曾发明过空气唧筒、发条控制的摆轮、轮形气压表等多种仪器。他还同惠更斯各自独立发现了螺旋弹簧的振动周期的等时性等。此外胡克还研究过肥皂泡的光彩、云母的颜色等许多光学现象。胡克在光学和力学方面是仅次于牛顿的伟大科学家。

Louse_diagram,_Micrographia,_Robert_Hooke,_1667

 

罗伯特·胡克的著作《显微制图》:

 

奠定胡克科学天才声望的要数《显微制图》一书。该书于1665年1月出版,每本定价为昂贵的30先令,引起轰动。胡克出生之前很久显微镜就被发明和制造出来,但是,显微镜发明后半个多世纪过去了,却没有像望远镜那样给人们带来科学上的重大发现。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和望远镜带来的宏观世界一样丰富多彩。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。1684年时任英国皇家学会会长的塞缪尔·佩皮斯就是看到胡克的这本书,对科学发生了浓厚的兴趣,于是立即购买仪器于1665年2月加入皇家学会。他称赞该书为他一生中所读过的最具天才的书。

胡克观察到的跳蚤,出自《显微术》

 

悲残的晚年

 

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。奇怪的是,胡克就像是个倒霉蛋,集聚在他身上的争议特别多。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。即使在胡克和其终生好友雷恩之间,仍然有许多未解之谜。通过胡克的日记和朋友间的通信,人们发现许多原先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、为纪念1666年伦敦大火而建造的纪念碑等。有人指出,雷恩的名气太大了,一提到当时的建筑设计,人们就想到了雷恩,谁还记得胡克呢?甚至是胡克的为人和脾气也是一个有争论的话题。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,哪一个才是真正的胡克呢?所有这些胡克之谜,都有待学者们进一步的研究。

Christiaan_Huygens-painting

 

死后纷争

 

胡克死后一无所有

 

1703年3月3日,胡克在落寞中去世了,在他死后不久,牛顿就当上了英国皇家学会的主席。随后,英国皇家学会中的胡克实验室和胡克图书馆就被解散,胡克的所有研究成果、研究资料和实验器材或被分散或被销毁,没多久,这些属于胡克的东西就全都消失了。

 

“万有引力”不姓牛?

 

当“牛顿神学手稿预言世界末日是2060年”的新闻在英国闹得沸沸扬扬之际,英国媒体25日再爆秘闻,那就是“万有引力理论”并不是牛顿先发现的,而是一位名叫罗伯特·胡克的英国历史上第一位职业科学家。

Robert_Boyle

 

牛顿“消灭”胡克成果

 

英国历史学家指出,胡克之所以默默无闻,不为世人所知,完全是因为他的研究成果被当时身为英国皇家学会主席的牛顿给强行“消灭”了的结果。

牛津大学瓦德海蒙学院历史学家亚兰·切普曼教授称,早在1660年,胡克就提出了太阳系各行星间存在万有引力的假设,并认为这些具有万有引力的行星大多是球形星体,他还做了一系列的实验来证明地球重力的存在。

Portrait thought for a time to be Hooke, but almost certainly Jan Baptist van Helmont

切普曼教授称,当时胡克被忽略的情况,连牛顿最好的朋友、天文学家埃德蒙·哈雷都看不下去了,以至于劝说牛顿公开承认胡克在万有引力方面的研究成果,但牛顿却一口拒绝了。他认为胡克本人并不想追求功名,因此他当然不好“强人所难”。

 

人们要为胡克“平反”

 

据切普曼教授称,英国的历史学家和科学家们将在3月3日胡克逝世300周年纪念日那天,在英国牛津大学等地举行纪念会,给被历史不公平忘却的、英国最伟大的科学家之一胡克正式“平反”,重新评价和恢复他在科学史上的地位。据他称,届时有关胡克生平的两本传记《英国的达芬奇》《复兴英国的实验艺术》也将同时出版。

 

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