C
hristiaan Huygens sinh năm 1629, là nhà toán học, thiên văn học và vật lý học người Hà Lan. Ông được coi là một trong những nhà khoa học tiên phong của cách mạng khoa học với những nghiên cứu mang tính đột phá trong các lĩnh vực toán học, vật lý và thiên văn học. Huygens còn là một nhà phát minh lớn đặc biệt với các sáng chế về đồng hồ.
Christiaan Huygens sinh năm 1629 tại Den Haag, Hà Lan trong một gia đình quyền quý có truyền thống khoa học, bố ông là Constantijn Huygens, vốn là thư ký cho hoàng tử và là bạn của René Descartes. Ông học luật và toán ở Đại học Leiden và Đại học Orange ở Breda trước khi chuyển sang học khoa học.
Với tư cách một nhà vật lý, Huygens đã thu hút sự chú ý từ giới khoa học với ý kiến cho rằng ánh sáng có tính chất sóng, mà sau đó đã trở thành phương tiện để hiểu lưỡng tính sóng hạt. Năm 1655, sử dụng kiểu kính thiên văn do mình chế tạo, Christiaan Huygens đã phát hiện ra vệ tinh Titan của Sao Thổ và kiểm chứng được rằng vành đai Sao Thổ có chứa đá. Cùng năm đó ông quan sát và vẽ phác thảo được hình dáng của tinh vân Orion, những khám phá này sau đó được in trong tác phẩm “Systema Saturnium” (1659). Huygens cũng thành công trong việc chia tinh vân thành các ngôi sao khác nhau, nội vùng sáng hơn của tinh vân Orion được đặt tên là vùng Huygens (Huygens region). Ông cũng đồng thời phát hiện ra một số tinh vân giữa các vì sao và các ngôi sao kép. Huygens đã đưa ra công thức mà bây giờ được biết đến dưới cái tên định luật thứ hai về chuyển động của Isaac Newton trong dạng một phương trình bậc hai.
Huygens được coi là một trong những nhà toán học tiên phong trong sự phát triển phương pháp tính hiện đại với việc chứng minh được tính đẳng thời của đường Cycloid. Sau khi được Blaise Pascal khích lệ, Huygens đã viết quyển sách đầu tiên trong lĩnh vực lý thuyết xác suất, xuất bản năm 1657.
Ông đã thiết kế những chiếc đồng hồ chính xác, cần thiết cho hải quân. Năm 1658, ông xuất bản một cuốn sách trong lĩnh vực này có tên là “Horologium”. Năm 1657 ông đăng ký sáng chế cho phát minh đồng hồ quả lắc, phát minh đã tạo ra một bước tiến lớn trong lĩnh vực đồng hồ. Bộ phận đáng chú ý do Huygens phát minh là cái hồi, đây là bộ phận giúp điều chỉnh lại tốc độ của đồng hồ và đồng hồ đeo tay. Ông cũng áp dụng chứng minh của mình về tính đẳng thời của đường cycloid để tạo ra các má cycloid giúp hệ thống treo quả lắc hoạt động được trơn tru hơn, bảo đảm cho chuyển động đều của quả lắc bất chấp biên độ lớn của dao động, bất chấp làm thế nào mà quả lắc dịch chuyển liên tục từ bên này sang bên kia. Phần lý thuyết toán học và ứng dụng cụ thể của phát hiện này được in trong sách “Horologium Oscillatorium” năm 1673. Huygens cũng quan sát được hiện tượng hai quả lắc được treo trên cùng một thanh xà chuyển động theo các hướng trái ngược nhau một cách hoàn hảo, hiện tượng này ông gọi là sự đồng điệu kì lạ mà ngày nay biết dưới cái tên cộng hưởng. Trái với những điều mà phần lớn mọi người nghĩ, Huygens không phải một thợ đồng hồ, và được biết đến là một người không tự làm đồng hồ cho bản thân. Ông là một học giả, một nhà khoa học và một nhà phát minh, và chiếc đồng hồ quả lắc cổ nhất được làm với sự cho phép của Huygens do người thợ đồng hồ Salomon Coster ở Den Haag chế tác. Chiếc đồng hồ quả lắc cổ nhất còn được biết đến theo mẫu của Huygens năm 1657 có thể tìm thấy ở bảo tàng Boerhaave tại Leiden. Tại đây cũng trưng bày cả chiếc đồng hồ thiên văn vô cùng quan trọng của Huygens. Một phát triển khác trong kỹ thuật chế tạo đồng hồ của Huygens là đồng hồ lên dây cót, sáng chế này được ông thực hiện cùng thời điểm với sáng chế của Robert Hooke.
Ngày 3 tháng 5 năm 1661, ông cùng hai nhà thiên văn học Thomas Streete và Richard Reeveshe đã quan sát và nhận thấy Sao Thủy quay quanh Mặt trời, qua kính viễn vọng Richard Reeves ở London.
Hội Hoàng gia London đã bầu Huygens là thành viên vào năm 1663. Năm 1666 Huygens chuyển đến Paris, nơi ông làm việc trong viện Hàn lâm Khoa học Pháp dưới sự bảo trợ của Louis XIV. Sử dụng Đài thiên văn Paris (hoàn thành vào năm 1672), ông đã mở rộng tầm nhìn của thiên văn học. Năm 1684 ông xuất bản cuốn sách Astroscopia Compendiaria trong đó ông có giới thiệu một loại kính viễn vọng mới của ông. Năm 1673, Huygens tiến hành các thí nghiệm về sự cháy trong. Năm 1675, Christiaan Huygens nhận bằng sáng chế đồng hồ bỏ túi. Ông còn phát minh ra nhiều dụng cụ khác như bộ điều hòa 31 quãng cho đàn keyboard quãng 8.
Với một bộ óc toàn năng, vừa là nhà thực nghiệm vừa là nhà lý thuyết, Huygens đã có những đóng góp to lớn cho nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Đóng góp cho thiên văn học của ông là phát hiện ra các vành của Thổ tinh và Mặt trăng lớn Titan của hành tinh này. Nhờ phát minh ra kính mắt trong kính thiên văn của ông, cho phép thực hiện được các quan sát chính xác, mà Huygens đã đo đạc được chuyển động quay của Hỏa tinh. Trong toán học, ông là người biên soạn chuyên luận đầy đủ đầu tiên về phép tính xác suất. Trong cơ học, ông đã xây dựng lý thuyết con lắc được sử dụng để điều chỉnh đồng hồ. Trong quang học, ông giải thích các định luật phản xạ và khúc xạ bằng lý thuyết sóng ánh sáng. Năm 1690, ông đã cho xuất bản cuốn “Luận về ánh sáng nổi tiếng”.
Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt. Ông cho rằng nếu ánh sáng là một chùm các hạt vật chất, thì một tia sáng sẽ phải va chạm với một tia sáng khác nếu hai tia gặp nhau. Nhưng thực tế điều đó đã không xảy ra. Nhà vật lý học người Hà Lan này cũng bác bỏ quan điểm của Descartes cho rằng ánh sáng như một xung động lan truyền tức thời. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước. Sự truyền sóng không hề vận chuyển vật chất nào đi theo, như ta có thể nhận thấy khi thả nổi người trên mặt biển. Khi bơi ra khơi xa: các con sóng ở đây, với các đỉnh và hõm, cũng giống như là một sóng lan truyền trên mặt biển. Biên độ của các sóng này tăng lên khi càng tiến gần vào bờ. Trên thực tế, khi các con sóng đi qua, nước không di chuyển về phía bờ, nó chỉ làm mỗi việc là nâng lên và hạ xuống ở cùng một vị trí. Chuỗi các sự kiện tương tự sẽ xảy ra nếu quan sát một cái chai rỗng hoặc một cái phao nổi trên mặt biển: khi một con sóng đi qua, các vật này nâng lên và hạ xuống, nhưng vẫn ở vị trí cũ. Như vậy ánh sáng không phải là một sự lan truyền của một thực thể vật chất, mà là của một hình dạng.
Theo ông, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động không những cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển động của nó.
Một nguồn sáng bao gồm vô số các hạt rung động. Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này. Vô số các sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian. Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn sáng. Càng xa nguồn sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn.
Ánh sáng truyền nhanh hơn rất nhiều so với âm thanh, điều mà mọi người có thể nhận thấy khi trời có giông, ta nhìn thấy chớp sớm hơn nhiều khi nghe thấy tiếng sấm. Huygens giải thích sự chênh lệch lớn về vận tốc này là do có độ chênh lệch lớn về độ cứng giữa không khí và ête. Vận tốc lan truyền của một sóng tăng theo độ cứng của môi trường trong suốt. Huygens thừa nhận rằng các hạt ête cứng và rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu như tức thời. Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bên này của một hạt ête là ngay lập tức nó sẽ được truyền sang đầu bên kia. Ngược lại, các hạt không khí mềm hơn và truyền các rung động chậm hơn rất nhiều.
Từ đó, ông giải thích về hiện tượng phản xạ thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngược.
Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Như vậy, vận tốc của ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong nước.
Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng). Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn, trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền.
Sau này, nguyên lý về sóng ánh sáng gọi là nguyên lý Huygens-Fresnel (đặt theo tên của nhà vật lý người Hà Lan Christiaan Huygens, và người Pháp Augustin Jean Fresnel), ban đầu được đưa ra trong lý thuyết sóng ánh sáng Huygens, giải thích sự lan truyền của ánh sáng như các sóng, nay được ứng dụng trong tính toán về lan truyền của sóng nói chung.Về cơ bản, nguyên lý này cho rằng mỗi điểm nằm trên đầu sóng là nguồn cho các sóng thứ cấp mới; và sự lan truyền của toàn bộ là tổng của các sóng thứ cấp đến từ mọi điểm trong môi trường mà sóng đã đi qua. Cách tiếp cận này cho phép giải thích nhiều hiện tượng quang học và hiện tượng sóng nói chung, như hiện tượng nhiễu xạ.
Khi mới ra đời vào thế kỷ XVII, nguyên lý Huygens đã thành công trong việc giải thích hàng loạt hiện tượng quang học từ khúc xạ, phản xạ đến nhiễu xạ và giao thoa, dù cho, dưới ảnh hưởng của Isaac Newton, lý thuyết này không được quảng bá bằng lý thuyết hạt ánh sáng của Newton. Sau này nguyên lý Huygens cho thấy là phù hợp với các lý thuyết vật lý khác về tính chất sóng của vật chất.
Năm 1681 Huygens trở lại Den Haag sau khi ốm nặng. Ông cố gắng trở lại Pháp vào năm 1685 nhưng việc hủy bỏ chỉ dụ Nantes đã ngăn cản dự định này. Huygens mất ở Den Haag ngày 8 tháng 7 năm 1695.