Роберт Гук: английский Леонардо да Винчи


Роберт Гук — выдающийся английский естествоиспытатель и изобретатель. Он успешно проявлял себя в самых разных областях, снискав себе прозвище «английского Леонардо да Винчи». Среди его заслуг — усовершенствование микроскопа и астрономического телескопа. Он предложил использовать спиральную пружину в часовом механизме. Он участвовал в проектировании собора Святого Павла. И, конечно же, он открыл закон Гука, гласящий, что сила упругости, возникающая при растяжении или сжатии твердого тела, пропорциональна его удлинению.

Жизненный путь

Роберт Гук родился 18 июля 1635 г. во Фрешуотере на острове Уайт (графство Айл-оф-Уайт) в семье приходского священника. В детском возрасте он был очень слабым и болезненным, но весьма рано обнаружил живой интерес к изобретению механических игрушек и к рисованию. Отец предполагал, что мальчик, вслед за старшими братьями, пойдет по его стопам и станет священником. Однако у маленького Роберта были другие интересы: он любил наблюдать за природой и заниматься конструированием. Роберт проявлял все больший интерес к научным занятиям, поэтому вскоре начал обучение в Вестминстерской школе. Здесь он изучал древнегреческий, латинский, иврит и математику. Кроме того, уже в то время он проявлял способности к изобретениям по механике и физике. Как-то он разобрал латунные часы и изготовил их точную действующую копию из дерева. В 13-летнем возрасте Гук поступил в Вестминстерскую школу и поселился в доме школьного учителя, доктора Ричарда Басби (Richard Busby). В школе он изучил латинский, греческий и немного еврейский языки, а также познакомился с Началами Евклида и некоторыми другими трудами по математике. Имея страсть к рисованию, он некоторое время работал и брал уроки рисования у известного лондонского художника Питера Лили (Peter Lely).

В 1653 г. Роберт Гук поступил в Крайст-Чёрч-колледж Оксфордского университета. Не имея существенных источников к средствам существования, он был вынужден совмещать учебу с обязанностями певчего в оксфордской церкви Христа. Кроме этого он помогал в качестве ассистента на занятиях по химии доктору Томасу Уилли-су (Thomas Willis, 1621-1675), знаменитому английскому врачу и анатому. В 1658 г. Роберт Гук заканчивает обучение в колледже, получив степень магистра искусств.

В Оксфорде во время обучения в колледже он сблизился с некоторыми известными учеными и, будучи опытным механиком, помогал им в их исследовательской работе. Около 1658 г. он начал совместно работать с Робертом Бойлем (Robert Boyle, 1627-1691). В 1660 г. по результатам исследований, в которых самое активное участие принимал Роберт Гук, публикуется первая научная работа Р.Бойля «New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects”. В ней описывается целый ряд блестящих экспериментов, в которых Бойль, использовав созданный Робертом Гуком вакуумный насос (1659), продемонстрировал упругость воздуха, определил его удельный вес и т.д. Известный ранее вакуумный насос Отто Герике (знаменитые магдебургские полушария) требовал напряженных усилий двух людей и обеспечивал сомнительные результаты. С вакуумным насосом Гука и Бойля легко управлялся один человек. Бойль также продемонстрировал, что по мере откачки воздуха из камеры меняется характер звучания, расположенного в ней колокола, доказав при этом, что воздух участвует в передаче звука. В дальнейших экспериментах он показал, что воздух необходим и для поддержания пламени свечи.

В 1662 г. вышло второе издание этой книги, в котором Бойлем был впервые сформулирован закон изменения объёма газов (в частности, воздуха) с изменением давления, позднее получившем имя закона Бой-ля-Мариотта. Независимо от Бойля этот закон сформулировал в 1676 г. французский физик Эдм Мариотт. Справедливости ради следует отметить, что огромный вклад в успех Роберта Бойля внёс его помощник Роберт Гук, сам изготовивший насос, и принявший активнейшее участие в трёхлетнем цикле экспериментов.
Около 1660 г. Роберт Гук вместе с Христианом Гюйгенсом (Christian Huygens, 1629-1695) установил точки отсчета для шкалы термометра — температуры таяния льда и кипения воды.

В 1662 г. по рекомендации Роберта Бойля Гук стал куратором по организации экспериментов в только что созданном Лондонском Королевском научном обществе, и его познания в механике и изобретательские способности нашли здесь хорошее применение. Он всегда стремился к разработке какого-либо прибора, чтобы продемонстрировать свои собственные идеи или же для того, чтобы проиллюстрировать или
выяснить какой-либо вопрос, возникавший в дискуссиях членов Общества. А с 1677 по 1683 г. Роберт Гук занимал пост секретаря этого общества. По долгу службы он был обязан воспроизводить на заседаниях все опыты, сообщения о которых поступали в Общество. Справиться с этой задачей мог только гениальный экспериментатор и инженер-изобретатель. К счастью, Роберт Гук был именно таким.

Сотрудничая с «оксфордской научной группой», в которую входили Роберт Бойль (Robert Boyle, 1627-1691 );Томас Уиллис (Thomas Willis, 1621-1675); Уильям Петти (William Petty, 1623-1687); архитектор Кристофер Рэн (C.Wren, 1632-1723); Джон Локк (John Locke, 1632-1704); Джон Мейоу (John Mayow, 1643-1679); Ричард Ловер (R.Lower, 1631-1691), и другие, Роберт Гук принял активное участие и в медицинских экспериментах группы, направленных на изучение дыхания и кровообращения.

Один из участников этой группы, Ричард Ловер, обнаружил, что тёмная венозная кровь, притекающая в наполненные воздухом лёгкие, приобретает ярко-красный цвет, на основании чего он пришёл к заключению, что кровь абсорбирует в лёгких «что-то из воздуха». И он показал, что этот процесс изменения цвета крови происходит не в сердце, а именно в лёгких посредством воздуха, или какого-то компонента воздуха, который он иногда называет «азотистым духом» (nitrous spirit), поступающим в кровь в процессе дыхания, и то, что это поступление воздуха в кровь является очень важным для живых организмов.

Другой активный участник «оксфордской группы», Джон Мейоу (John Mayow, 1643-1679), продолжая опыты Ловера, обратил внимание на то, что при дыхании в кровь поступает не весь воздух, а лишь его определённая составная часть, необходимая для жизни и горения, которая и вызывает изменение крови, циркулирующей в лёгких. Следовательно, Мейоу за 100 лет до Лавуазье обнаружил химическую связь между дыханием и горением. Мейоу известен также тем, что он первый обнаружил расширение правого желудочка при митральном стенозе. Тем самым им было положено начало изучения последствий нарушенной функции сердца.

На первый взгляд исследовательская деятельность членов «оксфордского научного кружка» может показаться несколько хаотической, а проведенные ими эксперименты с высоты современного знания выглядят как примитивные и даже наивные. Однако при внимательном анализе результатов исследований, проведенных «оксфордской группой» можно, например, увидеть, что этими энтузиастами науки было создано передовое для того времени учение о дыхании. Обратите внимание, какая интересная выстраивается логическая цепочка в их экспериментах. Главный научный и идейный вдохновитель «оксфордской группы» Роберт Бойль доказывает, что воздух необходим для горения и поддержания жизни; его ассистент Роберт Гук проводит эксперименты по искусственному дыханию на собаках и доказывает, что не движение легких само по себе, а именно воздух — важнейшее условие дыхания; Ричард Ловер освещает проблему взаимодействия воздуха и крови, показав, что кровь становится ярко-красной, когда подвергается воздействию воздуха, и темно-красной, когда искусственное дыхание прерывается. Окончательную точку ставит Джон Мейоу, доказывая, что не сам воздух, а только определенный его компонент необходим для горения и жизни.
Правда, Джон Мейоу предполагал, что этим необходимым компонентом является азотсодержащее вещество. На самом же деле он фактически открыл кислород, который был назван так лишь в результате его вторичного открытия Джозефом Пристли (Joseph Priestley, 1733-1804).

В 1663 г. Роберт Гук увлекся (как и голландский ученый Антони ван Левенгук) микроскопией и впервые обнаружил клеточное строение растительных тканей.
В 1665 г. Гук внес важные усовершенствования в конструкцию микроскопа и с его помощью осуществил ряд исследований, в частности он наблюдал тонкие слои (мыльные пузыри, масляные пленки) в световых пучках, изучал строение растений и мельчайшие детали живых организмов, ввел представление об их клеточном строении. В работе Micrographia (Маленькие рисунки, 1665) он описал клетки бузины, укропа, моркови, привел изображения весьма мелких объектов, таких, как глаз мухи, комара и его личинки, детально описал клеточное строение пробки, крыла пчелы, плесени, мха. В книге мы находим не только сведения о микроскопе Гука, но также и описания его новых важных открытий. Он объяснил происхождение интерференционной окраски мыльных пузырей и явление ньютоновых колец, изложил свою теорию цветов и объяснил окраску тонких слоев отражением света от их верхней и нижней границ. Гук был противником корпускулярной теории света Ньютона и высказал гипотезу о поперечном характере световых волн, предположив, что «свет представляет собой весьма короткие колебательные движения, совершающиеся в поперечных направлениях к линиям распространения света».

В книге «Micrographia» (1665) Гук впервые назвал клетками мельчайшие составляющие организмов — по аналогии с небольшими комнатами монахов. Это понятие стало одним из центральных в биологии. Роберт Гук быстро влился в круг известных ученых, которые встречались в так называемом невидимом колледже для обмена идеями. Когда было решено создать официальное научное сообщество, на Гука была возложена ответственность за проведение экспериментов. В 1660 г. на свет появилось Королевское общество, на сегодняшний день это один из самых престижных в мире научных институтов.

В этой же книге он обсуждал возможность производства искусственных волокон с помощью процессов, подобных вращению шелковичного червя, и первый использовал слово «ячейка» (клетка), чтобы назвать микроскопические сотообразные поры в пробке. Его работы с микроскопом были проведены на самом высоком уровне для своего времени, и именно Роберту Гуку мы обязаны словом «клетка». Исследования по микроскопическим ископаемым превратили его в одного из самых первых сторонников эволюционной теории.

Однако наблюдать внутреннюю жизнь клетки он еще не мог. Не довелось Роберту Гуку доказать наблюдением и гипотезу Уильяма Гарвея (William Harvey, 1578-1657) о полной замкнутости двух кругов кровообращения. Это позже сделал иностранный член Лондонского королевского общества — итальянский врач из Болоньи Марчелло Мальпиги (Marcello Malpighi, 1628-1694), открывший капилляры — мельчайшие сосуды, связывающие артерии и вены между собой.

Другой врач, Ян Сваммердам (Jan Swamerdam, 1637-1680) из Амстердама, обнаружил в крови эритроциты. Но несмотря на эти великие открытия, наука XVII века не смогла еще установить в целом физическую суть кровообращения и дыхания.

В 1665 г. Гук стал профессором геометрии в лондонском «Cresham College», однако он по-прежнему продолжал демонстрировать свои эксперименты, изобретать и описывать новые инструменты в Королевском обществе.
После большого лондонского пожара в сентябре 1666 г. Гук представил модель, иллюстрировавшую его проект реконструкции пострадавшего города, после чего члены городского магистрата поручили вести эти восстановительные работы Гуку. Он проявил большую активность в восстановлении Лондона и лично спроектировал несколько зданий. Многие историки связывают восстановление Лондона после пожара исключительно только с именем знаменитого архитектора Кристофера Рэна (C.Wren, 1632-1723), хотя мало кто знает, что успех Рэна во многом был обусловлен экстраординарным участием в работе его друга Роберта Гука. Гук был одним из трех назначенных магистратом равноправных инспекторов, включая Рэна, которые руководили реконструкцией Лондона. Некоторые из проектов Роберта Гука до сих пор неправильно приписывают Кристоферу Рэну.

Например, купол знаменитого кафедрального собора Св. Павла в Лондоне был построен на основании математических расчетов Роберта Гука. В средокрестии собора на высоте 30 м заложено основание купола диаметром 34 м, который поднимается на 111 м. При совместной работе над проектом купола Роберт Гук посоветовал Рэну применить уникальное решение. Непосредственно над средокрестием они возвели в кирпиче первый купол с круглым 6-метровым отверстием вверху (окулюсом), полностью соразмерный пропорциям интерьера.

Над первым куполом архитекторы соорудили кирпичный конус, служащий опорой для массивного каменного фонаря, вес которого достигает 700 тонн, а над конусом — второй покрытый свинцовыми листами купол на деревянном каркасе, пропорционально соотнесенный с наружными объемами здания. В основание конуса заложена железная цепь, принимающая на себя боковой распор. Слегка заостренный купол, опирающийся на массивную кольцевую колоннаду, господствует в облике собора.

О мастерстве Кристофера Рэна и Роберта Гука дает представление такая история. Когда собор уже был почти построен, городские власти обратили внимание на то, что в центральном пространстве храма нет колонн, которые поддерживали бы огромных размеров потолок. Кристофер Рэн убеждал, что колонны не нужны и потолок не обвалится, и приводил в качестве доказательства свои расчеты и расчеты Роберта Гука. Однако ему не поверили и распорядились подпереть потолок собора колоннами. Рэн выполнил это требование, но... возведенные им колонны не достают до потолка, между капителями и самим потолком есть пространство. Эти колонны, не подпирающие потолок, стоят и сегодня, являясь символом высочайшего мастерства зодчих и обычного недоверия властей к достижениям науки.

Пространство между двумя куполами собора образовало известную «шепчущую галерею», в которой слово, сказанное шепотом у одной стены, становится хорошо слышным у противоположной стены купо-
ла. Хотя этот звуковой феномен является в принципе довольно характерным для купольных конструкций, надо отметить, что к этому времени Роберт Гук хорошо разбирался в физике звука. Он проводил различные эксперименты со звуком и его проводимостью в различных средах, а также изобрел к этому времени слуховую трубу. Эффект «шепчущей стены» был применен Робертом Гуком и при проектировании здания Montague House.

Круг научных интересов Роберта Гука был весьма широк: теплота, упругость, оптика, небесная механика. На заседании Королевского общества 3 мая 1666 г. Роберт Гук заявил: «Я намерен изложить систему мира, весьма отличающуюся от всех до сих пор предложенных; она основывается на следующих трех положениях:
I.  Все небесные тела не только обладают тяготением своих частей к их собственному общему центру, но притягиваются и взаимно одно к другому внутри их сфер действия.
II. Все тела, совершая простое движение, будут продолжать двигаться по прямой линии, если только они не будут постоянно отклоняться от нее некоторой внешней силой, побуждающей их описывать окружность, эллипс или какую-либо иную кривую.
III. Это притяжение тем больше, чем тела ближе. Что же касается отношения, в котором эти силы уменьшаются с увеличением расстояния, то я сам (как он сообщает) не определил его, хотя и проделал с этой целью некоторые эксперименты. Предоставляю сделать это другим, у которых найдется для этой задачи достаточно времени и знаний».

Как мы видим, Роберт Гук имел довольно ясное представление о всемирном тяготении, хотя ему и недоставало математических познаний, чтобы доказать законы Кеплера. Он предположил, что силу гравитации можно измерить, используя движение маятника, и попытался показать, что Земля и Луна движутся по эллипсу вокруг Солнца. В 1678 г., чтобы описать планетарные движения и доказать, что все планеты должны двигаться по эллиптическим орбитам, он установил обратный квадратичный закон, согласно которому притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния. По своей сути этот закон являлся законом всемирного тяготения Ньютона (Isaac Newton, 1642-1727), позже предложенным Ньютоном в более совершенной и модифицированной форме. Гук жаловался, что ему не поверили, когда он открыл этот закон и включился в спор с Ньютоном. Надо сказать, что отношения между этими двумя учеными всегда были весьма скверными, что достаточно ярко описано в книгах по истории науки.

Не будучи профессиональным астрономом, Роберт Гук открыл в 1664 г. двойную звезду (вторую — в истории астрономии). Он был первым, кто смог построить совершенно новый отражающий телескоп (Gregorian reflecting telescope), с помощью которого было открыто большинство новых звезд. Гук также обнаружил пятую звезду в Трапеции, звезду в созвездии Ориона, и первым предположил, что Юпитер вращается вокруг своей оси.
Его детализированные эскизы Марса использовались даже в 19-м столетии, чтобы определить скорость вращения этой планеты.

Роберта Гука также называют и отцом британской метеорологии. Изобретенный Гуком барометр в настоящее время можно увидеть в Лондонском научном музее.
Роберт Гук был первым ученым, исследовавшим упругость физических тел. В 1678 г. вышла из печати его работа «De potentia restitutiva or of spring» (О восстановительной способности или об упругости). В ней содержатся результаты проведенных Гуком опытов с упругими телами. Это был первый печатный труд, в котором рассматривались упругие свойства материалов. Выявленное им линейное соотношение между силой и деформацией, известное теперь как закон Гука, послужило фундаментом, на котором впоследствии получила свое дальнейшее развитие механика упругих тел. Он применил эти знания, конструируя часы, и построил первые пружинные часы, более точные, чем маятниковые часы Гюйгенса.

В 1672 г. он обнаружил явление дифракции света (свет заворачивает за углы, так, что тени оказываются всегда смазанными). Более важно в этом явлении то, что в тени за предметом свет появляется в чередовании светлых и темных полос. Чтобы объяснить это, Гук предложил волновую теорию света. На этой почве у него произошел первый конфликт с Исааком Ньютоном, постепенно перешедший в многолетнюю вражду. Ньютон начал интересоваться оптикой ещё в студенческие годы, его исследования в этой области были связаны со стремлением устранить недостатки оптических приборов. В своей первой работе «Новая теория света и цветов», доложенной им в Лондонском королевском обществе в 1672 г., Ньютон высказал свои взгляды о «телесности света» (т.е. корпускулярную гипотезу света).

Эта работа Ньютона вызвала бурную полемику: в то время господствовали волновые представления. Особенно яростным противником корпускулярных взглядов на природу света выступил Роберт Гук. Отвечая Гуку, Ньютон высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления о свете. Эту гипотезу он потом развил в сочинении «Теория света и цветов», в котором он описал также свои опыты с «кольцами Ньютона» и установил периодичность световых волн.

Однако при чтении этого сочинения на заседании Лондонского королевского научного общества Гук выступил с притязанием на приоритет, и раздражённый Ньютон принял решение не публиковать оптических работ. Многолетние оптические исследования Ньютона были опубликованы им лишь в 1704 г. — через год после смерти Гука — в фундаментальном сочинении «Оптика».

Кстати говоря, Роберт Гук был первым ученым, который установил в общем виде, что вся материя расширяется при нагреве, и воздух состоит из частиц, отделенных друг от друга относительно большими расстояниями. Его модель с пружинками между атомами позже была заимствована тем же Исааком Ньютоном.

Каково же было истинное место Роберта Гука в науке? Например, его покровитель со студенческой скамьи, аристократ Роберт Бойль, был и является более известной научной фигурой, чем Роберт Гук — сын бедного священника и непременный секретарь Королевского общества. Все дело в том, что даже новая наука, посвятившая себя эксперименту, на практике всегда отдавала предпочтение теоретикам. То, что Гук известен лишь в узком кругу специалистов, частично объясняется большей склонностью ученых к теории, чем к эксперименту, а также тем, что, в отличие от аристократа Бойля, Гук был бедным самоучкой. Различие в соотношении теория/эксперимент моделируется здесь социальным положением. Даже Роберт Гук — экспериментатор, который также и теоретизировал, теперь почти забыт, в то время как Роберт Бойль — теоретик, который еще и экспериментировал, по-прежнему упоминается в учебниках средней школы.
Интересно, что важные химические эксперименты Бойля теперь помнят гораздо хуже, в то время как Роберт Гук имеет репутацию чистого экспериментатора, но его теоретические прозрения в основном игнорируются. Гук был куратором экспериментов при Королевском обществе, у него был характер сварливого старика, легко вступавшего в конфликты, частично из-за своего низкого положения как экспериментатора. И все же Роберт Гук, безусловно, заслуживает места в пантеоне славы науки, о чем свидетельствуют его многочисленные научные достижения.

На портрете, преподнесённом в дар факультету прикладных наук (Department of Engineering Science) Оксфордского университета (Великобритания), изображён Роберт Гук со своими важнейшими творениями: барометром, микроскопом и книгой «Микрография» — на заднем плане, — карманными часами, линзой, пружиной и универсальным шарниром (теперь это называют кардановым подвесом) — на столе. Он держит цепочку, чтобы продемонстрировать её форму — цепную линию. На стене сзади — карта Лондона, в отстраивании которого после большого пожара 1666 г. он принимал деятельное участие.
Умер Гук в Лондоне, 3 марта 1703 г., и был похоронен в церкви Св. Елены.
 

Открытия

В перечень открытий Роберта Гука входит:
– открытие пропорциональности между упругими растяжениями, изгибами и сжатиями, и производящими их напряжениями;
– открытие цветов тонких пленок;
– правильное определение закона всемирного тяготения;
– идея о волнообразном распространении света;
– предположение о поперечном характере световых волн;
– демонстрация того, что высота звука обуславливается частотой колебаний;
– открытие постоянства температуры кипения воды и таяния льда;
– открытие живой клетки (Гуку принадлежит термин «клетка»);
– открытие женской яйцеклетки и мужских сперматозоидов;
– обоснование вращения Земли вокруг Солнца.

Изобретения

1656-1658 гг. — изобретение спиральной пружины для регулирования хода часов.
1666 г. — изобретение спиртового уровня. В этом же году Роберт Гук представил | перед Королевским обществом изобретенную им модель винтовых зубчатых колёс.
1684 г. — изобрел систему оптического телеграфа.
Гук усовершенствовал: барометр; телескоп; гигрометр; регистрирующий дождемер; анемометр.

Источники:
http://stories-of-success.ru/biografiya_roberta_guka_otets_eksperimentalnoi_fiziki
http://www.critical.ru/calendar/1807hook.htm


ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ
Гук был главным помощником К. Рена при возобновлении Лондона после пожара 1666 г. В качестве архитектора он участвовал в сооружении таких зданий, как Гринвичская обсерватория и лондонский собор св. Павла. Также Р. Гук предложил новую планировку улиц Лондона.
В детстве Гук часто болел. Некоторые врачи утверждали, что он не доживет до 20 лет. В итоге изобретатель прожил 68 лет.
Именно Гук назвал элементарную единицу живого организма «клеткой» (англ. cell). Интересно, что ученый полагал, будто эта частица похожа на кельи монахов.
Изобретатель интересовался наукой дыхания. Однажды он даже поместил себя в специальный герметичный аппарат, из которого постепенно должен был выкачиваться воздух. В результате Гук частично потерял слух.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Одним из архитектурных шедевров Роберта Гука является монумент в память о великом лондонском пожаре 1666 г. Считается, что именно с этого места и начался великий пожар. Однако этот монумент высотой в 202 фута был возведен Робертом Гуком в основном для проведения научных экспериментов с барометром и маятником.

 

«Биология для школьников» . – 2015 . - № 1 . – С. 53-62.