第13章 弹性定律的发现——物理学家胡克
人类生活中的许多东西，如弓箭、皮球、沙发、钟表、轮胎……无不和弹性紧紧联系着。弹性是普遍存在的自然现象，近代以来，不少科学家也做过这方面的实验，比如意大利著名的画家和科学家达·芬奇，曾经用铁丝吊起一只篮子，然后慢慢向篮子里加沙子，篮子越来越重，最后铁丝终于承受不住篮子的重量，当铁丝断裂的时候，记下沙子的重量；伽利略也做过类似的实验，还测量过悬臂梁加上重物以后的弯曲程度。他们用这些实验来研究材料的弹性强度。
人发现了弹性，研究着弹性，今天，人们对弹性的规律已经有了更多的认识，并充分利用着弹性。那么，是谁首先发现弹性定律的呢？他就是胡克（Robert Hooke，1635～1703，英国物理学家）。
罗伯特·胡克与牛顿是同时代的人，他是17世纪英国著名的物理学家和天文学家。他在光学、天文学、生物学等多方面都有重大成就，正是他第一次发现了“细胞”。在力学方面他的贡献更是卓越。他曾对万有引力的发现做出了重大贡献，更重要的是他发现了著名的弹性定律。
罗伯特·胡克1635年7月18日生于英格兰南方海边怀特岛的弗雷斯沃特村。父亲是一位牧师，他原本想把胡克培养成为一名出色的神学家，但胡克从小就喜欢摆弄钟表及机械玩具，对神学不感兴趣，而且他生就体弱多病，常因头痛的困扰而不能坚持学习。于是父亲只好放弃原来的打算，听其自然了。他13岁时，父亲不幸去世，这给他极大的打击，好心的威斯敏斯特中学校长巴斯比收留了他。
从此，在校长巴斯比的帮助下，他开始了半工半读的艰难求学生涯。1653年，胡克考入了人才济济的牛津大学，艰难地完成了大学课程，并获得了牛律大学授予的文学硕士学位。毕业后胡克被推荐到牛津大学波义耳实验室，担任波义耳的助手，开始了他漫长的科学实验生涯。
波义耳是一位极有天分的科学家，他当时正在研究气体体积和压力的关系。作为波义耳的助手，胡克帮他设计了完善的实验设备，并协助他进行大量实验，从而证明了气体定律。
由于他具有高超的实验及设计能力，1662年被聘任为伦敦皇家学会实验所的评议员，次年被正式选为皇家学会会员，并被指定为英国皇家学会的实验室主任。这使他有机会涉猎了各门学科研究的最新进展，实验和研究的能力与日俱增。
1665年，胡克成为格雷沙姆学院教授，1677年～1683年年任皇家学会秘书。
胡克在英国皇家学会任职整整20年。在此期间，他发明了很多仪器，被誉为“现代仪器制造业之父”。他还成功地制造出了世界上第一台复式显微镜，并通过这台显微镜第一次发现了“细胞”，把生物学的发展向前推进了一大步。他的一系列光学研究，对光学理论的发展具有很重要的作用。他对引力的探索和研究为牛顿发现和证明万有引力定律奠定了重要的基础。
当时，人们已经懂得地球对物体的吸引力，但这个吸引力有多大呢？
胡克在研制天文仪器的时候，接触到了弹簧。为了研究弹簧的性能，胡克做了许多实验。做过金匠的胡克，想到以前拉弹簧的情形：用力拉弹簧，可以把弹簧拉长，而且拉力越大，它会越长。他自言自语道：“如果我弄明白弹簧长度和拉力的关系，不就可以利用弹簧测出地球对物体的吸引力了吗？”
1660年，他把弹簧的一端悬挂起来，在另一端加重量，观察弹簧长度的变化。当他把多次实验数据列在一起的时候，他发现，弹簧上所加重量的大小与弹簧的伸长量成正比。
他找了一条弹簧和好几个相同重量的物品，把这些东西一个个加挂在弹簧上，并分别记下弹簧的长度。最后他再整理这些记录，结果发现：挂一个物体时，弹簧伸长1英寸（2.5公斤）；挂两个，伸长2英寸（5公斤）……
胡克心想：“怎么这么巧呢！”于是，他又另外找了几个弹簧，做同样的实验，结果都和以前一样：弹簧的伸长度和挂物的数量成正比，这是力学上一个重大的发现。
这一发现使胡克十分兴奋。弹簧的这种性质是不是对所有的弹性体都适用呢？胡克知道，必须用实验来证实自己的推理。
他把表的游丝固定在黄铜的轮子上，加上外力使轮子转动，游丝便收缩或放松。改变外力的大小，游丝收缩或放松的程度也会改变。实验结果表明，外力与游丝收缩或放松的程度成正比。他又用6～12米长的金属线实验，发现金属线上受到的外力也是与金属线的伸长量成正比的。
金属物质有这种性质，其他物质有没有呢？他找来一根干燥的木杆，将木杆水平放置，一端固定，另一端挂上重物，结果也是一样：所加重量的大小与木杆弯曲的程度也成正比。他还用丝、毛发、玻璃、土块等做实验。
胡克虽然最终没能发现万有引力定律，但他却把握住了物理学另一个伟大发现的契机，这就是著名的“弹性定律”，又称为“胡克定律”：任何有弹性的物体，弹性力都与它伸长的距离成正比。
1676年在他的《关于太阳仪和其他仪器的描述》（A Description of Helioscopes and Other Instruments）一文中用字谜形式发表这一结果，谜面是ceiiinosssttuv。1678年在他的小册子《势能的恢复——论说明弹跳体能力的弹簧》（Lecturse de Potentia Restituva, or of SpringExplaining the Power of Springing Bodies）一文中公布了谜底：ut tensio sic vis，这句拉丁文的意思是“伸长量和力成正比”。这是关于弹性体胡克定律的最早形式。
1678年，胡克写了一篇名为《弹簧》的论文，向人们介绍了对弹性物体实验的结果，为材料力学和弹性力学的发展奠定了基础。
弹性定律虽然很简单，却很有用，此后不久，它直接促成了手表的发明。近代的材料力学，也利用这个理论来估计物体受力作用时发生的形变变化的。
后来，不少科学家为进一步发展胡克的思想做了大量工作。19世纪初，英国科学家托马斯·杨的成绩最为卓著。他总结了胡克等人的研究成果，指出：如果弹性体的伸长量超过一定限度，材料就会断裂，弹性力定律就不再适用了，明确地指出弹性力定律的适用范围。他还指出，弹性体的其他的形状改变，也符合弹性力定律。同时，他还推算出外力与不同物体的改变的比例常数，这个常数被人们称为杨氏模量。
从胡克到托马斯·杨，经过许多科学家的辛勤劳动，终于准确地确立了物体的弹性力定律。后人为纪念胡克的开创性工作和取得的成果，便把这个定律命名为胡克定律。
其实，胡克对万有引力定律的发现也起了重要作用。1679年他写信给牛顿，说天体的运动是由于有中心引力拉住的结果，而且认为引力与距离平方应成反比。按照这个想法，地球表面抛体的轨道应该是椭圆，如果地球能穿透，物体将回到原处，而不象牛顿所说的，物体的轨迹是一条螺旋线，最终将绕到地心。牛顿对此没有复信，但接受了胡克的观点，以后在J.开普勒关于行星运动的第三定律基础上用数学方法导出了万有引力定律。1686年牛顿将载有万有引力定律的《自然哲学的数学原理》卷一的稿件送给英国皇家学会时，胡克希望牛顿在序言中能对他的劳动成果“提一下”，但遭到牛顿的断然拒绝。这是后来胡克控告牛顿剽窃他的成果的来由。
胡克在其他科学也贡献颇多。他用显微镜观察软木结构中的“微孔”或“细胞（cell）”，这是生物学中“细胞”一词的起源。他在1672年发现光的衍射现象，并采用光波理论解释这种现象。他认为热是物质粘性机械运动的结果。胡克制造过各种机械，包括万向接头在内。1666年伦敦大火以后，他在重建城市中设计了一些重要建筑物。1703年3月3日，胡克在伦敦去世。