С чего началась история создания телескопа? Кому человечество обязано за его изобретение? До сих пор не совсем ясно и все еще обсуждается в кругах историков и теоретиков. Ещё в 385 г. до н.э. Демокрит объявил, что Млечный Путь состоит из множества звезд. Некоторые специалисты утверждают, что к такому выводу можно прийти только с помощью телескопических наблюдений. Другие указывают на сохранившиеся греческие и римские тексты в которых описывается некий оптический инструмент, похожий на сегодняшний телескоп.
Тем не менее, это только косвенные доказательства принадлежности какого-либо человека к истории создания телескопа, и кажется, что делать такие далеко идущие выводы неоправданно.
Телескопы, работающие по принципу преломления света на границе центров
Технология шлифования была известна еще в древности. Только первые линзы были сделаны не из стекла, а из обработанного и полированного кварца (диоксид кремния, SiO2), твердого материала, который довольно часто встречается в природе. Однако трудно выяснить, являются ли предметы, найденные археологами, украшениями или сознательными попытками сделать линзы.
Первое хорошо документированное в истории использование линз появляется в греческих и римских источниках.
Официальным началом телескопической астрономии можно считать деятельность месопотамского астронома Альхазена (Ибн аль-Хайсам), жившего в 11 веке. Он был величайшим физиком и считается отцом оптики, много занимался вопросами рефракции и расщепления света, и его работы оказали значительное влияние на развитие современного телескопа.
Также древние окуляры были обнаружены в археологических находках в Висби, Готланд (территория Швеции), и датируются второй половиной 11 века. Эти линзы имеют интересную форму – половина – почти идеальный эллипсоид, а другая сторона – плоская. Некоторые из них имели серебряную оправу и, вероятно, использовались в качестве подвесок.
В нескольких исследованиях, написанных между 1230 и 1235 годами, Роберт Гроссетест, основатель оксфордской философской и естественнонаучной школы, писал: Эта часть оптики, если ее хорошо понять, показывает нам, как мы можем сделать очень отдаленные объекты очень близкими, а крупные близкие объекты кажутся маленькими и мы можем сделать удаленные объекты нужного размера, чтобы можно было читать самые маленькие буквы с невероятных расстояний.
Широко признано, что в Европе очки, корректирующие дальнозоркость с помощью соответствующих линз, были изобретены в северной Италии на рубеже 13 и 14 веков.
Около 1450 года было обнаружено, что вогнутые линзы исправляют миопию. Таким образом, в середине пятнадцатого века два типа линз, необходимых для создания телескопа, были уже известны, и открытие телескопа, как вы можете догадаться, было лишь вопросом времени. Однако мир не обладает достаточными письменными или материальными источниками, чтобы можно было с уверенностью сказать, был ли уже построен соответствующий телескоп в то время.
С другой стороны мы имеем хорошо документированные доказательства, что оптические и зеркальные телескопы были известны в Англии уже во второй половине 16-го века. Письма Яна Ди и Томаша Диггса от 1570 и 1571 годов соответственно описывают использование этих оптических конструкций отцом Томаша, Леонардом Диггсом. Независимое подтверждение этого факта можно найти и в других записях того периода.
Первые телескопы состояли из фокусирующей линзы и рассеивающей линзы. Благодаря множеству практических применений, значительное их количество быстро распространилось по всей Европе.
Кстати, всем студентам-астрономам можно порекомендовать сконструировать такой дешевый и простой телескоп своими руками – самый простой способ – с помощью линз для очков и цилиндрической трубки. Это будет абсолютно фатальный инструмент с точки зрения качества оптики, но с дидактической и когнитивной точки зрения почему бы не попробовать.
Первый патент
Первым запатентовал телескоп голландский офтальмолог Иоанн Липперсгей в 1608 году. Свои изобретения он поставлял голландскому правительству, вероятно, они были нужны армии и флоту, потому что моряки быстро осознали неоценимую роль телескопа на борту корабля.
Видимо, принцип работы телескопа Липперсгей обнаружил, когда двое его детей, играя в мастерской, соединили две линзы одну за другой. Внимание Иоанна привлекли их крики от увиденного.
Изобретение телескопа Галилеем
Пришло время упомянуть человека, которому чаще всего приписывают «открытие» телескопа – Галилей.
Находясь в Венеции в мае 1609 года он услышал о человеке, который сконструировал инструмент, благодаря которому отдаленные объекты выглядели ближе и крупнее, чем видно невооруженным глазом, и что физический принцип, по которому работает устройство, – это преломление света. Сам Галилей утверждал, что он решил проблему конструкции телескопа в первую ночь после возвращения из Венеции в Падую, а на следующий день у него был готовый инструмент, состоящий из фокусирующей линзы и рассеивающей линзы, прикрепленной на противоположных концах свинцовой трубы. Несколько дней спустя, сделав лучшую версию телескопа, он отвез ее в Венецию, где объявил о «своём» открытии.
Галилея ждал огромный успех, как во время жизни (он получил пожизненное финансовое обеспечение от собора), так и в умах потомков, в значительной степени незаслуженно передавая историю «первооткрывателя телескопа”.
Телескоп Галилея
Галилей изучал небо с помощью телескопа, сделал правильные выводы и смог распространить их. Он наблюдал солнечные пятна (известные китайцам в течение долгого времени, хотя механизм их формирования до сих пор полностью не объяснен), фазы Венеры, Луны (правильно распознал форму местности) и заметил, что Сатурн вытянут (его телескоп был слишком мал, чтобы распознать кольцо планеты). Его наиболее важными открытиями были спутники Юпитера.
В результате своих исследований Солнечной системы он поддержал гелиоцентрическую гипотезу Коперника о построении Солнечной системы, отрицая при этом основы геоцентрической теории Птолемея. Это оказало значительное влияние на развитие науки и на жизнь самого Галилея, но это совсем другая история.
Конечно, Галилей постепенно улучшал свой телескоп – начиная с трехкратного увеличения, сконструировал телескоп с увеличением примерно в тридцать раз, что уже было довольно серьезным оптическим инструментом. Благодаря этому сегодня мы и называем эту структуру телескопом Галилея.
Кеплер и другие
Вскоре Ян Кеплер описал альтернативную конструкцию линзового телескопа, построенного на основе двух выпуклых линз. Преимуществом этой конструкции было значительно большее поле зрения телескопа. Однако контраст полученных изображений был ужасным, поэтому для этих телескопов требовалось большое фокусное расстояние.
Все любители астрономии знают об огромной роли поля зрения. В качестве дополнительного примечания стоит добавить, что при создании современных любительских телескопов всегда ищется компромисс между увеличением оптических дефектов наряду с уменьшением светоотдачи и с уменьшением поля зрения по мере увеличения фокусного расстояния. Такой компромисс для типичных и относительно недорогих современных конструкций лежит между 1:8 и 1:12.
Во второй половине XVII века произошло значительное улучшение качества сконструированных телескопов: достаточно упомянуть Христиана Гюйгенса, который со своим братом сконструировал инструмент с фокусным расстоянием около 3,5 метров и правильно объяснил природу колец Сатурна.
Но построенные в то время телескопы были чрезвычайно длинными – 30 или даже 60 метров и управлять ими было чрезвычайно сложно.
Зеркальные телескопы, работающие по принципу отражения света
Феномен радуги и преломления света на границе центров был известен на протяжении веков, но только Исаак Ньютон в своих работах описал, что прохождение белого света через призму не создает новые цвета, но расщепляет существующие. Этим он доказал, что разные длины волн света изгибаются по-разному – в физике мы говорим, что призма является дисперсионной средой для света. До этого момента учёные считали, что оптические дефекты преломляющих телескопов связаны с плохо выбранной формой линзы, а не с природой самого света.
Хотя есть записи, которые могут указывать на то, что первые зеркальные телескопы были построены в первой половине шестнадцатого века, приоритетное место определенно принадлежит Исааку Ньютону.
В 1663 году Джеймс Грегори написал трактат Optica Promota, в котором он обсуждает изображения, полученные в результате преломления света линзами и отражения света от зеркальных поверхностей. В нем он отмечает, что если линзы или зеркала имеют сферическую форму (их поверхности являются элементами сферы), результирующие изображения будут искривлены.
Он понимал, что любая попытка улучшить телескопы путем придания линзам различной формы не приводит к решению проблемы хроматической аберрации (хотя он явно не называл этот оптический дефект). И предложил построить зеркальный телескоп без хроматической аберрации (закон отражения в геометрической оптике не зависит от длины волны света). Однако он так и не смог сконструировать правильный инструмент и не нашел никого, кто бы поддержал его идею. Ньютон сделал это.
Исаак Ньютон | Телескоп Ньютона
Когда в 1666 году Ньютон обнаружил зависимость показателя преломления в зависимости от его цвета, он понял, что недостатки объектива телескопа связаны скорее всего с этим явлением, чем со сферической формой объектива.
Обнаружив, что дефект рефракторов заключается в самой природе света и экспериментально доказав правильное отражение (угол падения света равен углу отражения), он обратил свое внимание на создание зеркального телескопа, выбрав сплав меди и олова как наиболее подходящий для отражающей поверхности.
Поверхность зеркала была отшлифована и отполирована в форме сферы, которую было легче получить, чем вращающийся параболоид. Он справедливо предположил, что хроматическая аберрация в первую очередь ответственна за оптические дефекты в телескопах, а не за сферическую аберрацию. С помощью построенного им телескопа он наблюдал луны Юпитера и Венеру. Как и многие великие ученые, он решил, что проблема – по крайней мере на данном этапе – решена, и дальнейшая работа больше не была наукой, а скорее инженерией.
Ахроматический телескоп
Вехой в разработке телескопов стало изобретение рефракционного ахроматического телескопа англичанином Честером Муром Холлом.
Он полагал, что различные области человеческого глазного яблока преломляют световые лучи, так что сетчатка производит изображение без расщепления цвета. Таким образом, изобретатель справедливо указал, что должна быть возможность создать линзу с подобными оптическими свойствами, если будут использоваться центры с соответствующими свойствами преломления.
Вскоре Честер обнаружил, что, комбинируя различные типы стекла, можно создать «ахроматическую линзу», то есть ту, которая исправляет неравномерное преломление света. В 1733 году ему удалось построить рефрактор с апертурой около 7,5 сантиметров и фокусным расстоянием 50 см (то есть с интенсивностью света 1/6,5), которая показала только небольшую хроматическую аберрацию.
Следует отметить, что Мур Холл был очень скромным и небрежным человеком и даже не удосуживался заявить о своем открытии научному миру.
Тем не менее, идея ахроматических телескопов выжила и послужила основанием для огромного развития техники наблюдений, кульминацией которой стали телескопы в Паломарской обсерватории (1948 г., США), 6-метровый советский телескоп на Кавказе (1974 г.) и расположенные на Гавайях Кек 1 и Кек 2 (9,8 м, 1992 и 1996).