惠更斯摆钟之谜(惠更斯制作了摆钟)

惠更斯摆钟之谜，惠更斯摆钟之谜

相信大家都熟悉达芬奇花了几年时间画鸡蛋的故事。事实上，在科学领域，对待小事“认真”的科学家还不少。例如，在美国哈佛大学，有的教授会教授一个学期的香蕉课程，有的人会花几年时间研究鸡蛋的特性。诞生的过程着实让人大开眼界。现在，有一个小问题困扰了科学家数百年。这个问题就是摆钟问题。

摆钟的发明

1582年，意大利比萨大教堂内，神父正在向人们布道。这些人当中有一位贫困大学生。他对讲道不太感兴趣。相反，他被教堂天花板上的枝形吊灯吸引了。这盏吊灯就在这个地方。教堂已经存在很多年了，风一吹就会来回摇摆。这是很平常的事情，但是这个学生却很热心。他在思考一个问题：虽然吊灯的摆动距离越来越小，但往返所需的时间似乎是一样的。脉搏的跳动是有规律的振动。吊灯的摆动也会遵循这个原则吗？

为了验证这个想法，他用右手按着左手腕的脉搏，默默数着吊灯摆动的次数。事实证明，它们之间确实存在一定的相关性。牧师还没讲完布道，就匆匆回家，用绳子挂了一个物体，研究它的摆动模式。他发现，当改变绳子的长度时，摆动周期是不同的。但悬挂物的重量和摆动的角度与摆动的周期无关。这就是著名的“摆等时”原理，发现者还不到20岁，他就是伽利略。

过去，人们总是利用流动物质的均匀流动来测量时间，例如沙漏、漏水等。当时，包括伽利略在内的许多人认识到，如果钟摆能够进行均匀的周期性运动，则可能会提高计时装置的准确性。但事实上，伽利略的“摆等时”原理是存在问题的。例如，钟摆的摆动角度实际上会影响钟摆的周期，而不是像伽利略所说的那样没有影响。如果钟摆是按照伽利略原理设计的，时钟就不可能准时。因此，第一只摆钟的真正发明要等到17世纪。发明者是荷兰科学家惠更斯。

惠更斯是历史上最著名的物理学家之一。他建立了向心力定律，提出了动量守恒定律，也是概率论的创始人之一。他当时就注意到了这个问题。他发现伽利略单摆的等时性只有在摆角比较小时才成立。但当摆角较大时，如摆角为60度时，等时性并不严格相等。时机是显而易见的。惠更斯仔细研究并解决了这些问题，进而研究了其机械应用，并设计了严格等时摆钟结构。

1657年，28岁的惠更斯将重力摆引入机械钟中，发明了摆钟。摆钟比以前的欧洲计时器准确100 倍，将其误差从平均每天15 分钟减少到每周约1 分钟。惠更斯解决了伽利略的困惑，但有一个问题他无法解决，为现代科学留下了一个350年未解的历史谜团：——惠更斯摆钟之谜。

惠更斯摆钟之谜

1665年，惠更斯躺在床上，看着墙上挂着的两个钟。这时，他还注意到一个奇怪的现象：无论两个摆锤何时何地开始摆动，大约半个小时之内，它们最终都会以相同的频率彼此相反地振荡。后来惠更斯亲自在不同时间释放了两个摆，结果相同。

为什么挂在同一面墙上的钟摆会相互影响，并随着时间的推移慢慢变得同步？当时，惠更斯断定摆之间一定存在一种神秘的“通讯”方式。

几个世纪以来，没有人知道这个秘密，缺乏精确的工具来测量钟摆之间的相互作用。 2002年，美国亚特兰大的研究员Kurt Vaijfeld针对这个问题进行了实验。他发现了类似于惠更斯摆钟的等时性，但这种情况只有当摆重量比整个摆钟结构轻很多时才会发生。如果每个钟摆的质量与整个时钟的质量之比小于1:120，两个时钟的钟摆就会开始向相反的方向摆动。如果这个比例大于1:80，一个或两个摆将逐渐停止。

尽管瓦伊菲尔德的实验复制了惠更斯当时看到的奇怪现象，但一些科学家并不买账。他们认为这个实验并没有解释为什么摆的重量会影响摆的振动方向。更重要的是，有一点是，从惠更斯留下的手稿来看，惠更斯当时设计的摆钟并没有遵循比重这一原理，而瓦伊菲尔德的实验也无法解释为什么惠更斯的摆钟会在半小时内同步移动。

声音中隐藏的秘密

2015年，葡萄牙里斯本大学的研究人员决定采取不同的方法。以前的研究人员使用的摆钟是商业和通用时钟的较小版本。用于支撑摆钟的材料也与惠更斯使用的材料有很大不同。他们决定恢复显示惠更斯当时的观测条件。

研究人员委托墨西哥的一家大型钟表工厂仿照惠更斯当时使用的钟表制造了两个复杂的摆钟。然后他们将它们悬挂在铝梁上，并使用高精度光学传感器来测量钟摆的摆动。循环。果然，过了一会儿，钟摆开始以同样的幅度向相反的方向摆动。

然后，研究人员将两个时钟放在一张木桌上。正如他们所料，钟摆的运动与时间同步。然而，一个非常奇怪的现象发生了。与惠更斯观察到的不同，时钟并没有朝相反的方向摆动。相反，它们朝完全相同的方向摆动。尽管两个时钟的摆锤保持同步，但随着时间的推移，它们变得越来越慢，两个时钟上显示的时间都远远不够准确。那么，这是为什么呢？

研究人员利用模拟时钟的数字模型找到了答案。

事实证明，惠更斯300多年前的预言是正确的。两个时钟确实“通讯”了，而“通讯工具”竟然是连接时钟的支撑物，比如一张木桌。两个时钟通过木桌交换能量。支撑材料的刚度、厚度和质量都会影响时钟的同步方式以及时间的准确性。

那么，这些悬挂材料之间传递的能量是什么？

研究人员使用了不同的悬浮材料并进行了多次测试。最后他们发现，只有当材料具有非常好的声音传导性时，两个时钟的时间才会越来越接近，钟摆摆动的频率也会越来越接近。会发生共振。这项研究还为惠更斯摆钟之谜找到了一个可能的解释：移动钟的声能在连接它们的材料之间穿梭，导致它们最终以相同的摆动幅度产生共振。

尽管惠更斯设计的摆有多种形式，但它们都遵循一个基本结构。钟摆、齿轮和其他装置通过相互推动而移动。每个结构的机械运动都会产生少量的声能。当时钟滴答作响时，声能将在两个导体之间传播并交换能量。两个钟摆的摆动将因此进行微调，直至产生共振，从而使一个时钟的钟摆与另一个时钟的钟摆同步。事实证明，幕后真正的驱动力是“声能”。

那么为什么这个实验需要长达18个小时甚至几天的时间才能同步呢？为什么时钟同步这么慢？

研究人员也给出了很好的解释。惠更斯的钟重23公斤或27公斤，两个摆钟由坚硬的木梁连接，而研究人员实验中的摆钟仅重0.4公斤或更轻，而且挂钟的材料也没有那么坚固。越柔软的材料往往会吸收时钟的大部分能量并阻止其传输，因此惠更斯时钟传输更多的声能。

生活中存在很多同步现象。例如，在人体中，有几种生物节律：呼吸、心跳和动脉跳动。科学家发现，当其中一些节律彼此同步时，能量消耗是最小的，因此在这种情况下同步对身体有益。

但另一方面，同步也可能是危险或有害的。例如，癫痫发作的过程与神经元同步异常密切相关。在施工中，工程师们一度忽视了共振现象，从而导致了桥梁的垮塌。例如，美国华盛顿州塔科马海峡悬索桥桥面厚度不足，在受到强风袭击时会产生卡门涡街，导致桥梁摇摆。当卡门涡街的振动频率与吊桥本身的固有频率相同时，就会引起吊桥剧烈共振而倒塌。如果惠更斯摆的问题得到澄清，可能有助于解释自然界中广泛存在的同步现象，并解决一些实际问题。

然而，尽管摆之间的支撑材料可以传播声能并使两个时钟同步，但研究人员对这个答案并不满意。研究人员做了另一个实验，用更平滑的机构替换了两个时钟的齿轮传动机构。此时，时钟还没有产生如此大能量的脉冲。然而，摆钟仍然显示出同步性。由此可见，除了声音之外，这两个时钟肯定还受到其他因素的影响。对于研究人员来说，这个实验只是揭开了惠更斯摆神秘面纱的一层。这个看似简单的问题背后，一定还有其他尚未找到的答案。

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