Robert Hooke

16

Robert Hooke
(nhân kỷ niệm 350 năm ngày sinh của ông)

Ứng viên
khoa học vật lý và toán học
S. R. FILONOVICH

Tòa nhà trường Cao đẳng Gresham.
Hooke đã sống và làm việc tại ngôi nhà này gần năm mươi năm.

Có những giai đoạn trong lịch sử khoa học xảy ra sự sụp đổ hoàn toàn về ý tưởng về bản chất và phương pháp nghiên cứu của nó. Những thời kỳ như vậy thường được gọi là các cuộc cách mạng khoa học. Một trong số đó có niên đại từ thế kỷ 17, trong đó nền tảng của vật lý đa đặc tính đã được đặt ra. Bản chất của cuộc cách mạng vật lý thế kỷ 17 trước hết được xác định bởi việc các nhà khoa học thử nghiệm như một phương tiện để tìm hiểu các quy luật tự nhiên. Một trong những nhà thí nghiệm vĩ đại nhất của thời đại là Galileo. Những thí nghiệm đơn giản, thấm thía và rất thuyết phục của ông đã truyền cảm hứng cho nhiều nhà khoa học nghiên cứu và phát triển lĩnh vực vật lý. Thế kỷ 17 đã mở rộng đáng kể phạm vi của các định luật và hiện tượng vật lý được nghiên cứu. Đồng thời, chuyên môn hóa khoa học vào thời điểm đó vẫn chưa tiến xa và nhiều nhà khoa học xuất sắc đã làm việc thành công trong một số lĩnh vực vật lý cùng một lúc. Các nhà khoa học phổ quát như vậy bao gồm Galileo, Kepler, Huygens và Newoton. Danh sách này cần thêm tên của nhà khoa học tự nhiên xuất sắc người Anh Roberta Hooke, người, xét về bề rộng mối quan tâm khoa học và sự đa dạng của kết quả, chiếm một trong những vị trí nổi bật nhất trong thiên hà của các nhà khoa học thế kỷ 17.

Chúng ta sẽ thảo luận về cuộc đời của nhà khoa học này, các hoạt động khoa học và số phận các tác phẩm của ông trong bài viết này.

17

Robert Hooke sinh ngày 18 tháng 7 năm 1635 tại thị trấn Freshuter trên Đảo Wight của Anh trong một gia đình nhà thờ địa phương chân chính. Cha anh muốn Robert cũng trở thành linh mục, nhưng kế hoạch này phải bị hủy bỏ. Cậu bé có sức khỏe kém đến mức thậm chí không thể đến trường tiểu học cùng bạn bè. (Hooke đã bị ngược đãi trong suốt cuộc đời, và điều này ảnh hưởng đến tính cách của ông: những người đương thời thường ghi nhận tính khí nóng nảy, khắc nghiệt và cáu kỉnh của ông.)

Có khả năng tiếp cận tuyệt vời, chàng trai trẻ Hooke đã dành rất nhiều thời gian để thiết kế và tạo mô hình cho các thiết bị và cơ chế khác nhau. Có thể nói, niềm đam mê phát minh của ông đã xuất hiện từ khi còn nhỏ. Tuy nhiên, cuộc sống êm đềm của gia đình đã sớm bị biến đổi bởi một biến cố bi thảm. Khi Roberty 13 tuổi, cha anh qua đời và Hooke phải suy nghĩ về tương lai của mình. Để theo đuổi quyền thừa kế 100 feet bảng Anh, Hooke trở thành người học việc của một họa sĩ ở London. Tuy nhiên, anh sớm bị thuyết phục rằng mình có thể vẽ khá tốt ngay cả khi không được đào tạo đặc biệt, và mùi sơn dầu khiến anh đau đầu. Do đó, lời giải rời họa sĩ và vào trường của người thầy uyên bác R. Bashby. Ở trường, Robert học tiếng Latinh và tiếng Hy Lạp, làm quen với hình học Euclid, nói một cách dễ hiểu, được đào tạo đủ để vào đại học.

Năm 1653, Hooke trở thành sinh viên của Đại học Oxford nổi tiếng. Khi đó, số tiền cha để lại cho anh đã cạn kiệt, chàng trai trẻ phải đi tìm vốn để tiếp tục việc học. Robert được bổ nhiệm làm cậu bé hợp xướng trong nhà thờ. Tuy nhiên, anh không phải hát lâu vì rất nhanh sau đó anh đã tìm được một nơi phù hợp hơn với sở thích của mình: chàng trai trẻ được nhà hóa học T. Willis nhận làm trợ lý. Rõ ràng, Hooke đã làm việc tận tâm, và Willis đã giới thiệu anh ta với khả năng tương tự cho một quý tộc trẻ, đam mê khoa học, người có tên trong tất cả các sách giáo khoa vật lý - Roberty Boyle.

Boyle, một người nổi tiếng nhưng giàu có, không muốn tham gia vào cuộc đấu tranh chính trị phức tạp đang chia cắt nước Anh vào giữa thế kỷ 17, đã lui về Oxford, nơi ông tổ chức một phòng thí nghiệm hóa học bằng chi phí của mình. Trước đây, anh đã nhận được một nền giáo dục xuất sắc ở Pháp, Ý và Thụy Sĩ và tham gia nghiên cứu khoa học không phải với tư cách nghiệp dư mà hoàn toàn chuyên nghiệp. Vào thời điểm Hooke trở thành trợ lý của ông, Boyle quan tâm đến việc phát minh ra máy bơm không khí của O. Guerricke và các thí nghiệm do nhà khoa học tự nhiên người Đức thực hiện sử dụng thiết bị này. Nhận thấy rằng thiết kế máy bơm Guerricke còn lâu mới hoàn hảo và các thí nghiệm định lượng

18

Trích từ bài viết của Hooke

Nếu không tham khảo các nguồn ban đầu, sẽ không thể có được ý tưởng chính xác về cách các nhà khoa học trước đây bày tỏ quan điểm của họ. Đôi khi cách xây dựng luật hiện đại, tôi nghĩ tên của nhà khoa học này hay nhà khoa học kia, trên thực tế rất khác với tên mà tác giả đặt ra. Nhưng thường xuyên hơn, việc làm quen với các tác phẩm kinh điển của khoa học tự nhiên gợi lên sự ngưỡng mộ chính xác về cách các nhà khoa học trong quá khứ có thể trình bày ý tưởng của họ một cách chính xác như thế nào: những thu hẹp được thể hiện cách đây vài thế kỷ nghe có vẻ hiện đại. Điều sau áp dụng cho nhiều tác phẩm của P. Hooke. Chúng tôi cung cấp cho người đọc một số đoạn trích từ các tác phẩm của nhà khoa học liên quan đến bản chất của ánh sáng và quy luật điều khiển.

Ấn phẩm được chuẩn bị bởi S.R. Filonovich.

Về ánh sáng

“Ánh sáng là một chuyển động dao động hoặc sinh ra trong một môi trường…, phát sinh từ một chuyển động tương tự trong một vật thể phát sáng, giống như âm thanh, thường được giải thích bởi sự chuyển động liên tục của môi trường dẫn nó, sự gia tăng chuyển động liên tục của vật thể phát ra âm thanh. Và cũng giống như trong các rung động tỷ lệ âm thanh tạo ra nhiều sóng hài khác nhau, do đó, trong ánh sáng, các quốc gia khác nhau và màu sắc dễ chịu được tạo ra bằng cách trộn lẫn các chuyển động tỷ lệ và hài hòa. Nhận thức đầu tiên là ở tai và nhận thức thứ hai là ở mắt.”

Đoạn văn sau đây nói về sự tạo ra sóng ánh sáng và về cơ bản là tác động của mặt sóng của người nông dân.

“…ánh sáng truyền đi với cùng một tốc độ, do đó mọi xung lực hoặc rung động của một vật thể phát sáng cần thiết phải kích thích một quả cầu, quả cầu này sẽ liên tục phát triển theo cùng một cách, mặc dù nhanh hơn nhiều, khi các sóng hoặc vòng tròn trên mặt nước phân kỳ xung quanh một điểm,

(Tiếp theo trang 20)

Cần phải cải tiến máy chủ, Boyle đã hướng dẫn Hooke giải quyết vấn đề này. Người trợ lý mới đã hoàn thành nhiệm vụ một cách xuất sắc.

hình 1 cho thấy sự xuất hiện của một thiết bị đã đi vào lịch sử vật lý với cái tên “Bơm Boyle-Hooke”. Sử dụng máy bơm này, Boyle đã thực hiện một loạt thí nghiệm dẫn đến việc thiết lập một trong những định luật khí cơ bản, sau này được gọi là “định luật Boyle-Mariotte” *).

Vì vậy, khi còn học đại học, Hooke đã tham gia nghiên cứu khoa học. Sự hợp tác với Willis và Boyle có tầm quan trọng đặc biệt đối với nhà khoa học đầy tham vọng vì họ đã đưa Hooke vào vòng tròn của những người yêu thích chất tự nhiên, thường xuyên có mặt ở Oxford, nhiều thành viên của họ vài năm sau (năm 1660) đã trở thành người sáng lập Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn (Viện Hàn lâm Khoa học Anh). Các thành viên trong nhóm đều nhận thức rõ về tài năng của Hooke, và khi câu hỏi ứng cử vào vị trí người biểu tình của Hiệp hội Hoàng gia nảy sinh vào năm 1662, họ đã không ngần ngại quay sang Hooke. Hooke đã chấp nhận lời đề nghị này. Trách nhiệm của ông bao gồm việc chuẩn bị ba hoặc bốn thí nghiệm, được trình diễn tại các cuộc họp hàng tuần của Hiệp hội Hoàng gia.

Giữa thế kỷ 17 là thời điểm nghiên cứu thực nghiệm mới bước vào thực tiễn của các nhà khoa học. Vì vậy, Hooke đến làm việc vào mùa thu để đáp ứng nhu cầu của con người, bởi vì anh ta không chỉ phải thực hiện các thí nghiệm do chính mình phát minh ra mà còn phải lặp lại các thí nghiệm đã được báo cáo trước nước Anh, thực hiện các quan sát thiên văn, v.v. Và Hooke, với mục tiêu này, đã đương đầu với những trách nhiệm này trong vài thập kỷ.

Từ năm 1665, Hooke trở thành giáo sư hình học tại trường Cao đẳng Gresham và đọc các bài giảng ở đó. Năm 1666, nhà từ thiện Kutler đề nghị Hooke, với một phần thưởng khá lớn, bắt đầu đọc các bài giảng cho các thành viên của Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn về nhiều vấn đề khoa học khác nhau. Hooke, đang cần một phương tiện, đã chấp nhận lời đề nghị này và trong nhiều năm, ông thường xuyên giảng bài về nhiều chủ đề khác nhau.

Có vẻ như những việc Guk đang làm sẽ có giá trị trong vài giờ. Nhưng anh ấy không ngừng tìm ra những công dụng mới cho tài năng của mình. Năm 1666, một sự kiện bi thảm đã xảy ra: do một trận hỏa hoạn khủng khiếp, một phần đáng kể thủ đô nước Anh đã bị phá hủy (nó đã đi vào lịch sử với tên gọi Trận đại hỏa hoạn ở Luân Đôn - với chữ F viết hoa). Ngay sau thảm kịch, những người cha của thành phố đã đến gặp Hiệp hội Hoàng gia với yêu cầu được đại diện.

*) Kết quả nghiên cứu độc lập của nhà vật lý người Pháp E. Mariotte được công bố 14 năm sau khi công trình chính của P. Boyle được xuất bản.

19

phát triển các dự án tái phát triển London. Hooke đã chuẩn bị một dự án ban đầu trong vài tuần. Theo kế hoạch của ông, các đường phố ở London phải giao nhau theo các góc vuông. Mặc dù kế hoạch này không được chấp nhận (ý tưởng của nhà khoa học chỉ được thực hiện muộn hơn rất nhiều, trong quá trình phát triển New York), nhưng dự án của Hooke vẫn được đánh giá cao và ông đã tham gia vào công việc xây dựng lại London với tư cách là người trông coi. Vào cuối những năm 60 - đầu những năm 80, dưới sự lãnh đạo của Hooke, nhiều tòa nhà đã được xây dựng trong thành phố. Công việc kiến ​​trúc sư của Hooke cũng nổi tiếng. Đặc biệt, theo thiết kế của ông, tòa nhà của Bệnh viện Mary of Bethlehem khét tiếng đã được dựng lên, sau đó được biến thành nhà dành cho những người mất trí. Tên thứ hai của nó - “Bedlam” - đã trở nên rối loạn và có nghĩa là hỗn loạn và bối rối. Thật không may, không có tòa nhà nào được xây dựng theo thiết kế của Hooke được bảo tồn cho đến ngày nay.

Đây là cách mà những ngày của Roberta Hooke được thể hiện trong hoạt động liên tục, không mệt mỏi. Tuy nhiên, vị trí trung bình chiếm vị trí chính của nó tất nhiên thuộc về nghiên cứu khoa học. Hooke đã làm phong phú thêm những khám phá và hình ảnh nào cho việc giảng dạy của mình?

Như đã đề cập, Hooke bắt đầu công việc khoa học của mình bằng việc tham gia vào các thí nghiệm của Boyle. Tuy nhiên, những khám phá của Boyle lại là chủ đề cho nghiên cứu độc lập đầu tiên của Hooke. Boyle sau đó phát biểu rằng chất lỏng trong các ống mỏng (mao mạch) không tuân theo định luật truyền chất lỏng: nước trong mao quản thủy tinh dâng cao hơn mực nước trong một bình rộng. Huctls đã nghiên cứu kỹ lưỡng các hiện tượng thuộc loại này, được gọi là mao dẫn. Ông không thể tìm ra nguyên nhân của chúng, nhưng ông đã đưa ra một số quan sát và khái quát quan trọng. Đặc biệt, ông đã thiết lập được mối liên hệ giữa tính mao dẫn và sự chuyển động của nhựa trong thân cây.

Một đặc điểm quan trọng trong công việc của Hooke là mối liên hệ sâu sắc giữa các vấn đề mà ông biết. Cần phải đặc biệt chú ý đến hoàn cảnh này, vì bề rộng lợi ích của Hooke là không thể so sánh được. Một ví dụ nổi bật về sự đa dạng của các vấn đề khiến ông quan tâm là Microphragfics, tác phẩm nổi tiếng nhất của Hooke, xuất bản năm 1665.

Trong cuốn sách tương đối nhỏ này, Hooke mô tả nhiều quan sát được thực hiện bằng kính hiển vi mà ông đã cải tiến. hình 2 hiển thị hình dáng bên ngoài của microsop này và hình 3 hiển thị hình ảnh của các vật thể microsop được Hooke nghiên cứu. (Những điều này và những hình khác cho cuốn sách “Microfragfika” đã được chính Hooke hoàn thành.)

Sự cải tiến của kính hiển vi cho phép Hooke kiểm tra tính đa dạng và có tính hệ thống của các quan sát. Nghiên cứu về mắt của người đàn ông là một khám phá khoa học thực sự - Hooke đã có thể giải thích tại sao lợi ích về thị giác của loài côn trùng này lại rất lớn. “… hàng mắt nằm

Hình 2. Microsopon của Hooke.
Hình 3. Hình ảnh các vật thể cực nhỏ được Hooke nghiên cứu: sợi nấm mốc; mắt “khảm” của ruồi; các loại bông tuyết khác nhau.

20

nơi chuyển động bắt đầu từ một hòn đá rơi xuống. Từ đó suy ra rằng tất cả các phần của những quả cầu này truyền theo sóng qua một môi trường đồng nhất, giao nhau với các tia theo góc vuông.”

Hooke là một trong những người đầu tiên nghiên cứu màu sắc của màng mỏng. Ông cố gắng giải thích khả năng thêm vào các “xung” - sóng, phản xạ từ các bề mặt màng khác nhau. Về lời giải thích này, T. Junz, người đầu tiên xây dựng định luật giao thoa, đã viết rằng trong số các nhà khoa học liên quan đến quang học, chỉ có Hooke là có chút gợi ý về nguyên lý giao thoa.

“Sau hai câu và một phản xạ, một loại tia bị suy yếu lan ra, bị suy yếu không chỉ do hai câu mà còn do mất thời gian cần thiết để tia truyền qua lại giữa hai bề mặt… Xung yếu tiếp cận xung phản xạ đầu tiên theo cách xung hỗn hợp hoặc xung kép, phần trước mạnh hơn…, gây ra vết lõm màu vàng trên võng mạc. Nếu các bề mặt hơi rời xa nhau thì xung yếu sẽ trùng với xung thứ hai hoặc xung tiếp theo phản xạ từ bề mặt thứ nhất, bị trễ. đằng sau nó, rồi đến thứ ba, thứ tư, thứ năm, thứ sáu, thứ bảy hoặc thứ tám… Do đó, nếu có một sản phẩm mỏng của cơ thể, độ dày của nó tăng lên…, thì màu sắc sẽ lặp lại thường xuyên theo số bước mà xung yếu đi sau xung ban đầu đầu tiên hoặc xung đầu tiên trùng với các xung tiếp theo.

(Cuối cùng xem trang 22)

vợ theo cách mà không có một hướng nào có thể nhìn thấy từ đầu mà một số bán cầu này không hướng tới, do đó người ta nói đúng rằng muxa có mắt ở mọi hướng và cô ấy thực sự quan sát mọi thứ xung quanh mình. Người ta cũng nhận thấy rằng khi con ruồi di chuyển cơ thể về phía sau, những bề mặt này nhô lên trên bề mặt vai và lưng của nó, để nó có thể nhìn phía trên lưng”, đó là cách Hooke mô tả về mắt của con ruồi.

Trong số các quan sát sinh học khác, điều đầu tiên cần lưu ý là mô tả cấu trúc tế bào của thực vật. Bản thân thuật ngữ “tế bào”, được xác lập vững chắc trong ngôn ngữ khoa học, đã được Hooke đưa ra.

Mặc dù “Mikrofragiya” chủ yếu dành cho việc mô tả các quan sát vi mô, nhưng nó cũng có khá nhiều trang thảo luận về các vấn đề từ các lĩnh vực khác nhau của lịch sử tự nhiên. Do đó, Hooke giải quyết các vấn đề liên quan đến thí nghiệm tiền khí quyển và khí áp kế; thảo luận về hiện tượng mao dẫn; đặt ra lý thuyết ban đầu về vật thể và sự đốt cháy; mô tả những quan sát thiên văn của ông. Trong số các vấn đề thiên văn ảnh hưởng đến miệng núi lửa mặt trăng. Đối với đáp số thí nghiệm mô hình bắt đầu nghiên cứu nó; nó được quan sát thấy dưới dạng các thành tạo giống như miệng núi lửa trên bề mặt nhựa albestra sôi và trên bề mặt đất sét mềm trong đó các nucleoli nhỏ rơi xuống. Những thí nghiệm mô hình này có thể coi là sự chứng minh gián tiếp cho hai giả thuyết chính hiện đại về nguồn gốc của các miệng hố trên Mặt Trăng: núi lửa và thiên thạch.

Trong số những quan sát và giả thuyết liên quan đến nhiều vấn đề khác nhau, phần trong cuốn sách mà Hooke thảo luận về câu hỏi về bản chất của ánh sáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự phát triển của vật lý học. Bắt đầu quan tâm đến hiện tượng màu sắc trong màng mỏng và hoàn thành một loạt quan sát ban đầu, ông đã đưa ra một giả thuyết về bản chất của ánh sáng, được coi là nguồn gốc của lý thuyết sóng của ánh sáng.*) Hooke có được uy tín lớn trong vấn đề này đến nỗi chính ông là người được lãnh đạo Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn ủy nhiệm vào năm 1672 để bày tỏ ý kiến ​​về công trình nghiên cứu về lý thuyết màu sắc do I. Newton trình bày trước Hiệp hội. Trong tác phẩm của Newton, một số thông điệp được đưa ra liên quan đến bản chất của ánh sáng nhưng Hooke không đồng ý. Là người quyết đoán, ông phê phán gay gắt quan điểm của Newton. Kể từ thời điểm này, trong nhiều năm, Hooke và Newton đã tranh cãi về các vấn đề quang học.

Trong lịch sử vật lý, tên của Hooke gắn liền chặt chẽ nhất với việc xây dựng định luật khẩn cấp, được học sinh trung học gọi là “định luật Hooke”. Nghiên cứu tính chất tiết niệu của chất Hooke

*) Đối với độc giả muốn biết cách Hooke hình thành các ý tưởng khoa học của mình, chúng tôi đưa ra câu trả lời từ các tác phẩm của Hooke về quang học (trang 18) và cơ học (trang 22).

21

bắt đầu quan tâm đến nó khi còn trẻ, khi ông tham gia vào các thí nghiệm của Boyle. Sau đó, anh gặp vấn đề với việc thiết kế đồng hồ bấm giờ có lò xo xoắn ốc. Đỉnh cao công việc của Hooke trong lĩnh vực này là bài giảng “Về người khôi phục khả năng hoặc về sự kiểm soát” được xuất bản dưới dạng một tập tài liệu riêng vào năm 1678, trong đó luật kiểm soát được xây dựng.

Trong bài giảng của mình, Hooke đã mô tả nhiều thí nghiệm với các vật thể được điều khiển, việc khái quát hóa các kết quả của nó đã trở thành luật ký hiệu. Ở hình 4, một mục từ tập tài liệu được chỉ định, hiển thị sơ đồ các thí nghiệm của Hooke về nghiên cứu các loại biến dạng khác nhau. Điều đặc biệt là Hooke đã tiếp cận những nghiên cứu này, một mặt, với tư cách là một nhà thực hành, nghiên cứu, ví dụ, sự biến dạng của lò xo đồng hồ hoặc sự uốn cong của dầm gỗ được sử dụng trong thực hành xây dựng, mặt khác, với tư cách là một nhà khoa học tự nhiên, tiến hành các thí nghiệm định lượng chính xác và đưa ra những khái quát rộng rãi. (Chúng tôi cũng lưu ý rằng định luật điều khiển là một trong số ít kết quả khoa học mà Hooke luôn ưu tiên.)

Cuối cùng, một vấn đề khác trong vật lý, trong đó có lời giải của Hooke rất có ý nghĩa, đó là lý thuyết về lực hấp dẫn. Giống như nhiều câu hỏi khác, Hooke bắt đầu quan tâm đến lực hấp dẫn khi bắt đầu sự nghiệp khoa học của mình. Trong những năm đầu của Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn, ông đã tiến hành các thí nghiệm trong đó ông cố gắng tìm hiểu xem lực hấp dẫn tác dụng lên một vật thể từ Trái đất có thay đổi hay không khi khoảng cách từ tâm Trái đất thay đổi. Hooke không nhận được kết quả như mong đợi nhưng cũng không mất hứng thú với vấn đề này.

Các nghiên cứu về thiên văn học, đặc biệt là nỗ lực khám phá các ngôi sao không chuyển động song song - một hiện tượng chứng minh trực tiếp sự chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời, đã thôi thúc Hooke phác thảo quan điểm của mình về chuyển động và tương tác của các vật thể. Năm 1674, ông xuất bản tác phẩm “Nỗ lực chứng minh chuyển động của Trái đất bằng các quan sát”, trong đó, đặc biệt, ông chỉ ra sự tồn tại của lực hấp dẫn phổ quát. Tuy nhiên, Hooke không thể tìm ra hàm số xác định sự phụ thuộc của lực này vào khoảng cách giữa các vật thể tương tác. Một thời gian sau, ông đến gặp Newton với câu hỏi về dạng khả dĩ của hàm số này, rồi đề xuất rằng lực hấp dẫn tuân theo định luật bình phương. Newton, trong cuốn sách mang tính bước ngoặt của mình “Các nguyên lý toán học của vật lý tự nhiên”, nơi ông trình bày các định luật cơ bản của động lực học, thậm chí còn không đề cập đến công lao của Hooke trong nghiên cứu về lực hấp dẫn, điều này khiến ông vô cùng xúc phạm. Giữa Hooke và Newton, cũng như trong trường hợp thảo luận về bản chất của ánh sáng và màu sắc, mối quan hệ ngày càng xấu đi. Nhà vật lý và sử học khoa học nổi tiếng của Liên Xô S.I. Vavilov đã viết trong tiểu sử khoa học về Newoton: “Newoton đã rất sai lầm: