Christiaana Huygensa zna chyba każdy, komu bliska jest historia i rozwój zegarmistrzostwa. Ten holenderski matematyk, fizyk oraz astronom zasłynął jako wybitny badacz i konstruktor wyprzedzający swoje czasy. Jego niezwykła i interdyscyplinarna aktywność przypada na drugą połowię XVII wieku.
Christiaan Huygens (źródło: Wikipedia)
W 1660 roku w wieku 31 lat opuszcza rodzinną Hagę i wyjeżdża do Anglii. Niespełna 3 lata później zostaje przyjęty w poczet londyńskiego Royal Society. Po upływie kolejnych 3 lat trafia na Uniwersytet Paryski, gdzie ze słynnym astronomem Gianem Domenico Cassinim (tak – tym od sondy…) prowadzi pionierskie obserwacje, przyczyniając się m.in. do odkrycia Tytana, księżyca Saturna, oraz natury jego pierścieni, a także systemów gwiazd podwójnych.
Jako ciekawostkę warto dodać, że był jednym z pierwszych myślicieli, którzy rozważali ideę życia pozaziemskiego. Huygens wierzył, że wszechświat to tętniące życie miejsce, pełne planet zamieszkałych przez cywilizowane istoty!
Kolejnym obszarem jego zainteresowań była fizyka, z której tylko krok do techniki i pierwszych skonstruowanych na Starym Kontynencie zegarów wahadłowych. Zostańmy jednak jeszcze przez chwilę przy fizyce… Powinno Was zainteresować, że jako pierwszy obliczył prędkość światła i uczynił to błędem wynoszącym jedynie 25%, co jak na tamte warunki było nie lada osiągnięciem. Do tej pory (od czasów Arystotelesa) uważano, że prędkość światła ma wartość nieskończoną…
Przy okazji zachęcam wszystkich do obejrzenia genialnego serialu popularnonaukowego „Cosmos: A Spacetime Odyssey„, w którym jeden z odcinków poświęcony jest osobie Christiaana Huygensa i m. in. wspomnianemu eksperymentowi pomiaru prędkości światła!
Oscylator balansowy projektu Christiaana Huygensa (1675)
Holenderski badacz uważany jest za pierwszego konstruktora zegara wahadłowego. Nie jest to jednak prawda – przynajmniej nie do końca. Można jedynie powiedzieć, że jako jeden z pierwszych europejczyków stworzył taki zegar. Zwyczajowo opracowanie pierwszych koncepcji takiego urządzenia przypisuje się genialnemu Leonardowi da Vinci, a sam wynalazek zegara wahadłowego (i zjawiska izochronizmu) Galileuszowi. Faktem jest jednak, że pierwsze działające mechanizmy zegarowe oparte na ruchu wahadła zbudował Huygens. Jego zegary nie przetrwały niestety do naszych czasów, ale znamy je z opisów zawartych w wydanym w 1658 roku dziele „Horologium Oscilatorium”. Przy okazji zegarów warto też wspomnieć o sporze z Robertem Hookiem (angielskim eksperymentatorem). Panowie rościli sobie prawo do pierwszeństwa w wynalazku ulepszającym mechanizm zegarowy, a mianowicie zastąpienie wahadła balansem ze sprężyną (sic!).
Oryginalny szkic eksperymentu z 1665 roku (Christiaan Huygens)
My jednak zostajemy przy wahadłach, a żeby być precyzyjnym, dokładnie dwóch wahadłach… Legenda głosi, że gdy Pan Christiaana Huygensa zachorował to leżąc w łóżku, znudzony bezczynnością, obserwował odmierzające czas zegary. Ich wahadła miały po jakimś czasie powoli, ale nieuchronnie synchronizować się ze sobą. Problem dwóch wahadeł na tyle zafascynował badacza, że przeprowadził serię eksperymentów podwieszając zegary na jednej desce wspartej na dwóch krzesłach. Za każdym razem wynik był ten sam – wahadła zegarów po upływie maksymalnie 30 minut, jakąś przedziwną mocą zaczynały pracować synchronicznie! Nie dane było mu się rozwiązać tej niezwykłej zagadki. Zmarł w rodzinnej Hadze w 1695 roku w wieku 66 lat.
Zegary podwieszone na aluminiowej szynie
Niech jakąś formą pocieszenia dla naszego naukowca będzie fakt, że przez kolejne 350 (sic!) nikt inny nie poradził sobie z rozwiązaniem tego problemu.
Doświadczenia z zegarami wahadłowymi mocowanymi do ruchomej belki były powtarzane m.in. przez zespół polskich naukowców z Politechniki Łódzkiej. Polakom udało się wykazać, że zależnie od tego, jak będą się poruszały obydwa wahadła na początku eksperymentu, po odpowiednio długim czasie można osiągnąć to, że będą się ruszać idealnie równo (w tę samą stronę), lub też dokładnie w przeciwną stronę, niczym swoje lustrzane odbicia.
Dopiero w 2015 roku zespół naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Lizbońskiego powtórzyli słynny eksperyment. Zegary przymocowali do nieruchomej aluminiowej szyny zawieszonej na ścianie. Pomimo tego, że tym razem belka (tutaj szyna) nie była ruchoma, to synchronizacja wahadeł również zachodziła! Zegary potrzebowały do idealnej synchronizacji aż 12 godzin i to przy specyficznych warunkach – odległość między nimi nie mogła być większa niż 22 cm).
Badacze wykazali, że w tym przypadku odpowiedzialny za synchronizację są drgania mechaniczne, a konkretnie tykanie generowane przez wychwyt. Dźwięki pracującego mechanizmu są przenoszone się za pośrednictwem szyny z jednego wahadła na drugie, z czasem synchronizując ich ruchy. Gdy aluminiową szynę zastąpiono materiałem słabiej przewodzącym wibracje – np. drewnem lub włóknem szklanym – do synchronizacji nie dochodziło.
Model przestawiający synchronizację dwóch oscylatorów wahadłowych
Sam eksperyment to nie wszystko. Naukowcom udało się stworzyć odpowiedni model matematyczny i przede wszystkim go udowodnić. Artykuł na ten temat ukazał się w 23 lipca 2015 roku w czasopiśmie Nature.
Choć na pierwszy rzut oka rozważanie zagadki sprzed setek lat może wydawać się kuriozalne – w dobie zegarów elektronicznych, po co komu zajmowanie się mechanizmami wahadłowymi? Po zastanowieniu dojdziemy jednak do wniosku, że analiza działania oscylatorów (układów, w których zachodzą cykliczne zmiany) może mieć fundamentalne znaczenie np. do zrozumienia procesów zachodzących w naszym mózgu (działanie neuronów), czy też w zwykłych układach elektronicznych.
Zabawne, że XVII wieczny problem może przyczynić się do rozwoju neurologii… ale cóż, taka właśnie jest nauka!
Źródła
+
