История оптики

Размещено на http://www.allbest.ru/

История создания телескопа относится к числу интереснейших вопросов истории оптики. И хотя на эту тему написано немало ценных и обстоятельных работ [1--3], в истории создания телескопа еще немало «белых пятен». Как, например, объяснить, почему, несмотря на то, что линзы были известны еще 2500 лет до н. э.1, а очки были введены в употребление в конце XIII в., понадобилось столько времени для того, чтобы расположить две линзы одна за другой (ведь первые сведения о практической конструкции зрительной трубы относятся к концу XVI -- началу XVII вв.)? Для того чтобы понять причины, вызвавшие такую «задержку» в появлении телескопа, необходимо разобраться в процессе развития оптики и закономерностях появления первых оптических приборов.

Элементы «практической оптики» -- зажигательное действие линз и зеркал -- были известны еще в глубокой древности. До нашего времени сохранилось немало бесспорных свидетельств древних авторов о зажигательном действии стекол и зеркал. Таким способом, по-видимому, издревле получали «чистый» жертвенный огонь. О таком зажигании еще в V в. до н. э. как явлении всем известном упоминает Аристофан в комедии «Облака». Плиний старший и Сенека сообщают о зажигательном действии стеклянных шаров. В сочинении «О темпераментах» К. Гален писал: «И об Архимеде говорят, что он сжигал вражеские триеры»2 [6, с. 657]. Иоанн Цецем описывает зажигательные свойства зеркал Архимеда в своем сочинении «Тысячи» [7, с. 45]. Как представлял себе Вителло сожжение Архимедом вражеских кораблей, мы видим на гравюре, помещенной на обложке его книги «Перспектива» (рис. 1).

Долгое время вокруг этого исторического факта возникали споры. Упомянутая легенда была подтверждена экспериментальным путем в наши дни греческим инженером Иоаннисом Саккасом. В ноябре 1973 г. он провел серию опытов, в которых использовал в качестве зажигательных приборов комбинацию отполированных до зеркального блеска металлических щитов. По сигналу Саккаса солдаты, державшие щиты, направляли солнечные лучи, отраженные от этих щитов, на модели древнеримских кораблей. Саккасом было проведено пять опытов. В последнем опыте, проведенном 6 ноября 1973 г. в 12 ч., было использовано 70 щитов, а расстояние от моделей было 55 м. В течение двух-трех минут модели кораблей загорались [8, с. 309-- 317].

Основные оптические явления -- Прямолинейное распространение света, независимость световых пучков, отражение от зеркальной поверхности и преломление света на границе двух прозрачных сред -- были установлены опытным путем Евклидом и Аристотелем. У Герона Александрийского мы находим, что «наука о видении делится на оптику, т. е. собственно учение о видении, диоптрику, т. е. учение о преломлении света, и катоптрику, т. е. учение об отражении». Все последующие ученые-оптики стали называть свои труды «Диоптрикой» или «Катоптрикой».

Оптики античности, хотя и проявляли живой интерес к природе и свойствам света, но оптических приборов как таковых не создали3. Это было связано прежде всего с незнанием строения и функций глаза, да и вообще механизма зрения. Возможность получения действительных изображений при помощи оптических систем им также оставалась неизвестной [9, с. 238].

Картина развития оптики резко изменилась в средние века, когда ученым (Альхазену и др.) удалось установить, что зрение вызывается внешними лучами, приходящими в глаз от предметов. В связи с этим Альхазен впервые ставит вопрос о получении действительных изображений от зеркал и преломляющих сред [10].

Однако несмотря на существование достаточного количества теоретических трудов по оптике, практическая оптика, особенно в части применения линз, развивалась крайне слабо. Взаимосвязи между наукой и практикой в области оптики, по сути дела, не существовало [11, с. 310]. Подтверждением этого явилось изобретение в Италии в конце XIII в. очков (чисто эмпирическим путем). «Действительным бесспорным достижением XIII в., -- пишет С.И. Вавилов, -- явилось изобретение очков в Италии и постепенное распространение их. О появлении очков в Италии в конце XIII в. сохранилось несколько вполне ясных свидетельств. Обилие документальных данных показывает, что изобретение привилось и обратило на себя внимание. Замечательно и вместе с тем печально, что ученые-оптики XIII в., много писавшие о преломляющих средах, по-видимому, не причастны к изобретению очков» [9, с. 242].

Постараемся понять, какими, обстоятельствами было вызвано появление очков, которые Ф. Энгельс называл в числе важнейших изобретений XIII в.

Итальянские мастера XIII в. были известны во всем мире как искусные шлифовальщики и полировщики. В процессе своей работы они сталкивались с необходимостью подносить изделия своего труда близко к глазу (например, с целью контроля качества обработки поверхности материала). Поэтому изобретение ими очковых линз являлось вполне естественным: они облегчали их работу, давали возможность рассматривать даже мелкие детали изготовляемых ими изделий. И в то же время ученые-оптики XIII в. не только не способствовали изобретению очков, но просто не знали об их существовании. Между тем, -- отмечает С.И. Вавилов, -- дело шло не о мелочи, а о самом замечательном результате оптики за многие века ее существования не только в практическом смысле, но и в отношении теоретических перспектив. Если бы стал известен подлинный изобретатель очков, имя его, несомненно, занимало бы одно из самых почетных мест в истории науки о свете» [9, с. 242].

Разберемся, почему случилось так, что очковые линзы были открыты не учеными, а ремесленником, случайно?; Почему ученые-оптики, имевшие к этому времени достаточный объем знаний, не только не участвовали в изобретении очков, но и считали это изобретение вредным: «Основная цель зрения -- знать правду, линзы для очков дают возможность видеть предметы большими или меньшими, чем они есть в действительности; через линзы можно увидеть предметы ближе или дальше, иной раз, кроме того, перевернутыми, деформированными и ошибочными, следовательно, они не дают возможности видеть действительность. Поэтому, если вы не хотите быть введенными в заблуждение, не пользуйтесь линзами» [12, с. 101]. Такую рекомендацию ученые-оптики давали в связи с незнанием механизма и природы зрения. «Очки, -- пишет. С.И. Вавилов, -- несмотря на всю их удивительность для человека XIV и XV вв. и практическую важность, не сделались основой дальнейшего развития оптики. Книги Альхазена, Вителло, Бэкона мирно покоились в монастырских и университетских библиотеках, в университетах читались оптические курсы как часть quadrivium (повышенного курса образования. -- В. Г.), именитые люди исправляли свое зрение в старости очками, но оптическая наука в XIV и XV вв., если не говорить о перспективе, имевшей значение только для художников, стояла на месте [9, с. 242].

Первые упоминания о телескопе встречаются у английского средневекового ученого Роджера Бэкона (1214-- 1292). Он был хорошо знаком с достижениями арабской оптики и, в частности, с работами Альхазена. Бэкон был также ученым, провозгласившим совершенно новые принципы научного знания. Он гениально предвидит будущие успехи экспериментальной науки. С восторгом говорит он о будущей технике: «Расскажу о дивных делах природы и искусства, в которых нет ничего магического... Прозрачные тела могут быть так обделаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными, и наоборот, так, что на невероятном расстоянии будем читать малейшие буквы и различать мельчайшие вещи, а также будем в состоянии усматривать звезды, как пожелаем» [13, с. 77, 78].

Читая эти строки, трудно себе представить, что почти 700 лет назад, во времена инквизиции, гениальный монах мечтал о телескопе! Его мечта была научной фантазией. Бэкон был противником магии: «Не надо прибегать к Магическим явлениям, когда силы науки достаточно, чтобы произвести действия», -- писал он [13, с. 78].

В трилогии, написанной Р. Бэконом по просьбе папы Климента IV «Opus minus» («Малый труд»), «Opus majus» («Большой труд») и «Opus tertium» («Третий труд») -- много страниц посвящено оптическим темам, причем встречаются такие места, по которым можно предположить, что Бэкону были известны некоторые конструкции зрительных труб: «Таким образом, -- пишет он, -- увеличивая зрительный угол, мы будем в состоянии читать мельчайшие буквы с огромных расстояний и считать песчинки на земле, так как видимая величина обуславливается не расстоянием, а зрительным углом. Мальчик может казаться великаном, а взрослый горой» [14, с. 84]. Однако, по мнению С.И. Вавилова, такие строки на самом деле, вероятно, выражают только догадки и научные фантазии, которых не чуждался увлекающийся Doctor Mirabilis («Дивный доктор» -- так звали Бэкона его современники -- В. Г.), сообщавший читателю вместе с оптическими теоремами, например, сведения о летающих драконах и их пещерах» [9, с. 242].

Мысли Р. Бэкона настолько опережали свою эпоху, что они не отразились на ходе развития современной ему науки, и впоследствии были преданы забвению.

Идеи создания телескопических систем встречаются далее в манускриптах Леонардо да Винчи. Камера и глаз -- предметы многочисленных размышлений и опытов Леонардо. В его рукописях немало графических построений хода лучей в линзах, дается экспериментальный метод определения аберраций. Леонардо -- бесспорный зачинатель фотометрии как точной измерительной науки. Перу Леонардо принадлежат рисунки станков для полировки вогнутых зеркал, он подробно рассматривает технологический процесс производства очковых линз. Леонардо первым делает попытку переноса естественнонаучного знания в прикладную область.

Из всего многообразия работ Леонардо в области оптики нас будет интересовать только один вопрос: была ли осуществлена Леонардо зрительная труба (телескопическое устройство)? «Несомненно, -- пишет С.И. Вавилов, -- что Леонардо не только мечтал о телескопических устройствах, но действительно их осуществлял» [9,с.247].Постараемся восстановить действительный ход событий.

В кодексе А4, лист 12, у Леонардо находятся следующие строки, поясненные двумя рисунками (рис. 3 и 4): «Чем дальше отодвигаешь ты стекло от глаза, тем большими покажет оно предметы для глаз 50 лет; если глаза для сравнения глядят один через очковое стекло, другой вне его, то для одного предмет покажется большим, а для другого малым; но для этого видимые вещи должны быть удалены от глаза на 200 локтей» [15, с. 729]. Из приведенных рис. 3 и 4 и их описания совершенно ясно, что здесь речь идет об однолинзовом телескопе. Это простейший случай получения значительного увеличения с помощью одной-единственной двояковыпуклой линзы, фокусное расстояние которой больше, чем расстояние наилучшего зрения (т. е. больше 25 см). Увеличение получается при рассматривании простым глазом через вышеупомянутую линзу действительного изображения удаленного предмета. А. Данжон и А. Куде указывают, что с линзой, имеющей фокусное расстояние 12 м, наблюдатель с нормальным зрением может получить пятидесятикратное увеличение, а близорукий еще больше [3]. Леонардо не только приводит рисунок однолинзового телескопа, но рассматривает вопрос о его поле зрения, а также о перспективных изменениях наблюдаемых объектов (рис. 3). Но был ли изобретен Леонардо двухлинзовый телескоп?

Историк оптики Доменико Арджентьери положительно отвечает на этот вопрос, ссылаясь главным образом на текст F5, лист 25: «Хрустальное очковое стекло (ochiale) толщиною по краям в одну унцию от унции. Это хрустальное очковое стекло не должно иметь пятен и быть очень ясным. С краев оно должно быть толщиною в одну унцию от унции, т. е. в 1/144 локтя, а в середине -- тонким соответственно зрению, которое им пользуется, т. е. соответственно пропорции тех очков, которые для такого зрения годятся. И оно должно быть изготовлено при помощи той же формы (stampa), что и эти очки. Ширина такого продолговатого стекла (tavola) будет равна 1/6 локтя, а длина 1/4 локтя; следовательно, оно будет иметь в длину 3 унции, а в ширину 2, иначе говоря, 11/2 квадрата. И таким очковым стеклом нужно пользоваться, держа его на расстоянии 1/3 локтя от глаза, и настолько же оно должно быть удалено от буквы, которую ты читаешь. Если же оно будет удалено на большее расстояние, эта буква покажется крупнее; в самом деле, обычная печатная буква будет видна как буква на аптекарской коробке.

Это очковое стекло удобно держать на письменном столе, а если ты хочешь держать его, наблюдая вдаль, сделай его длиною в 1/8 локтя, а шириною в 1/12» [15, с. 729-- 730].

Однако Арджентьери при построении своих выводов основывается не на полном тексте Леонардо, а на отдельных его частях [16, с. 405]. В результате своих рассуждений он приходит к выводу о том, что зрительная труба Леонардо имела две линзы, положительную и отрицательную.

Далее Арджентьери полностью реконструирует «трубу Леонардо» и даже приходит к выводу о том, что такая труба должна была давать увеличение в 1,41 раза!? Модель такой «реконструированной зрительной трубы Леонардо» демонстрировалась на винчианской выставке в Милане в 1939 г. Несостоятельность предложенной Арджентьери реконструкции показал итальянский ученый С. Тимпанаро [17, с. 80-85].

Таким образом, зрительной трубы по схеме Галилея Леонардо да Винчи, по всей видимости, не изобрел, так как в его распоряжении, судя по рисункам и их описанию, не имелось отрицательной рассеивающей вогнутой линзы.

Однако есть основания полагать, что у Леонардо все же были идеи создания двухлинзовой трубы с двумя выпуклыми (собирательными) линзами. Так, на странице рукописи С. Б., лист 190-а, читаем: «Сделай очковые стекла (ochiali) для глаз, чтобы видеть Луну большой» [15, с. 729]. Здесь автор явно говорит о зрительной трубе, причем не однолинзовой, которая была предложена им в манускрипте А, лист 12, а двухлинзовой, так как слово «очковое стекло» (линза) упомянуто не в единственном, а в множественном числе: «очковые стекла» (линзы). Кроме того, подтверждением факта, что Леонардо экспериментировал с двумя выпуклыми (очковыми) стеклами, служат строки уже цитировавшегося нами манускрипта F, лист 25: «... И оно (хрустальное очковое стекло. -- В. Г.) должно быть изготовлено при помощи той же формы, что и эти очки...» [15, с. 729]. Здесь, следовательно, речь идет о совокупности двух типов стекол: хрустального очкового стекла и очковой линзы, причем хрустальное стекло должно быть изготовлено с помощью той же формы, что и очковое стекло. А так как очковое стекло -- суть выпуклая (собирательная) линза, то, следовательно, и хрустальное стекло также должно быть выпуклой (собирательной) линзой.

Таким образом, мы показали, что Леонардо впервые была сделана попытка переноса естественнонаучного знания (в оптике) в прикладную область. Однако несмотря на то, что Леонардо является прямым предшественником Галилея и Кеплера, с чувством сожаления приходится констатировать тот факт, что идеи, описанные Леонардо в его манускриптах, не были поняты и реализованы его современниками. Была ли создана Леонардо реальная конструкция зрительной трубы, так и остается неизвестным.

Дело, начатое Леонардо да Винчи, было продолжено его соотечественником Джованни Баттиста де ла Порта (1535--1615). Оптические изыскания де ла Порта были изложены им в первом и втором изданиях «Magia Naturalis sive de Miraculis rerum» («Естественная магия, или о чудесах вещей») (1558 и 1589 гг.) и «De refractione optices» («Об оптическом преломлении») (1593 г.). Автор «Magia Naturalis» в резкой форме обвиняет ученых в том, что «они не только не объясняют действия линз, но даже не изучают их. Уже сам этот упрек ярко характеризует дух эпохи. Де ла Порта впервые пытается строить ход лучей в линзах и использует полученные результаты для различных новых опытов» [18, с. 126].

В книге «De refractione» («О преломлении») дела Порта пытается изучить оптические системы, состоящие из комбинации выпуклой и вогнутой линз, т. е., по сути дела, зрительные трубы по схеме Галилея. В предисловии к восьмой книге «De refractione» де ла Порта утверждает, что ему удавалось видеть на громадном расстоянии мельчайшие предметы; однако за сообщением не следует доказательств и пояснений. Интересно отметить, что после получения известия о трубе Галилея, 28 августа 1609 г., де ла Порта писал в Академию деи Линчей в Рим князю Федерико Чези: «Я знаю секрет зрительной трубы, это пустяк, взятый из девятой книги моей «De refractione», и уверяю Вас, что если Ваше Сиятельство захотите ее сделать, то получите чистое удовлетворение. Это труба из посеребренного олова длиной в локоть, диаметром в три дюйма, в ее начале a находится выпуклое очковое стекло; имеется другая труба в четыре дюйма длиной, входящая в первую, с закрепленным вогнутым стеклом на конце b, как у первой трубы. Если смотреть только через первую трубу, то можно видеть вещи далекие и близкие, но так как зрение происходит не прямо, то предметы кажутся темными и неотчетливыми. Если же поместить внутрь другую трубку с вогнутым стеклом, вызывающим противоположное действие, то предметы видны ясными и прямыми. При этом вторая труба должна входить в первую, как в тромбоне, для установки по глазу смотрящего» [19, с. 252]. Письмо сопровождалось рисунком трубы «по схеме Галилея». Однако ни в 9-й, ни в 8-й книгах «De refractione» нет ничего того, о чем писал де ла Порта в письме, и поэтому вопрос о его приоритете в изобретении зрительной трубы является лишенным основания.

Первая зрительная труба появилась в Нидерландах в начале XVII в.; имеются мнения, что первый телескоп сделал З. Янсен в 1604 г. по модели некоего итальянца, на которой было написано «anno 1590». Документы, на которых основана эта версия, были впервые опубликованы в 1655 г. Пьером Борелем в его книге «De vero telescopii inventore...» («Об истинном изобретателе телескопа») [20]. Первый из этих документов представляет собой протокол опроса сына и сестры Захария Янсена -- Иоанна Захарида и Сарры Гёдарда, произведенного членами Городского совета города Миддельбурга 3 марта 1655 г. Вот этот документ в переводе с латинского, выполненном С.Л. Соболем: «Мы, консулы, судьи и советники города Миддельбурга в Зеландии, предписали выслушать и допросить Иоанна, сына Захария, мастера очков в нашем городе, каковому исполнилось от роду пятьдесят два года, а также Сару Гёдарда, которая живет в доме со знаком золотого креста во внутренней гавани этого города: об имеющихся у них сообща и у каждого в отдельности достоверных сведениях касательно человека, изготовившего в этом самом городе первые длинные наблюдательные инструменты, или телескопы. Допрошенные, они ответили и заявили нижеследующее.

И прежде всего названный Иоанн сын Захария утверждал, что эти телескопы были впервые изобретены и изготовлены его отцом, имя которого было Захарий сын Иоанна, и что это произошло (как он часто слышал) в этом городе в год 1590 от Р. X. Однако же самый длинный телескоп, изготовленный в то время, не превосходил пятнадцати или шестнадцати дюймов в длину. Утверждал, что тогда два таких телескопа были поднесены -- один славнейшему принцу Морицу, а другой эрцгерцогу Альберту, и что многие такой же длины телескопы были в I употреблении до 1618 года. Только тогда (как утверждает этот свидетель) он сам и его отец, то есть названные Иоанн и Захарий сын Иоанна, изобрели более длинные по своему устройству телескопы, какие употребляются и в настоящее время ночью для наблюдения звезд и луны. Сверх того, утверждал, что некто по имени Метциус посетил в 1620 году Миддельбург и приобрел такой телескоп, способ изготовления которого он пытался воспроизвести насколько мог. То же относится и к Корнелию Дребелю» [21, с. 62--63].

«Затем была выслушана Сара Гёдарда, которая утверждала, что когда ей было уже около 42 или 44 лет (ибо о совершенно определенном времени она что-нибудь сказать не могла), впервые в этом городе длинные наблюдательные инструменты были изготовлены ее братом Захарием сыном Иоанна, уже умершим, который жил в доме близ Монетных ворот около Новой церкви. Она сказала, что знает об этом потому, что неоднократно видела, как ее брат изготовлял такие телескопы.

В доверии к сказанному мы, консулы и названные судьи, приказываем скрепить этой малой печатью нашего города и подписать одному из наших секретарей. Третьего дня марта месяца 1655 года, подписал Симон ван Бомон» [21, с. 65].

Одновременно Городским советом города Миддельбурга были опрошены еще три свидетеля, которые показали, что первые телескопы были изобретены около 1605--1610 гг. в Миддельбурге очковым мастером Иоанном Лапреем (он же Ганс или Иоанн Липперсгей), уроженцем города Базеля в Германии. Протокол их опроса также приводится в книге Бореля [20, с. 31]. Кроме того, в Государственном архиве в Гааге в 20-х годах XIX в. Ван Свинденом был найден Акт Генеральных Штатов Соединенной Бельгии от 1608 г. [22, с. 319], из которого следует, что Иоганн Липперсгей 2 октября 1608 г. представил Генеральным Штатам «Инструмент для видения на расстоянии». В упомянутом Акте далее сообщалось: «Была назначена комиссия, чтобы, обсудив совместно с Липперсгеем, выяснить, нельзя ли усовершенствовать инструмент таким образом, чтобы дать возможность одному человеку смотреть в него обоими глазами. 4-го [числа] того же месяца [октября] было решено, что некоторые из членов должны испытать инструмент Липперсгея, произведя наблюдения с ним с башенки дворца принца Морица. Было решено далее, что в случае, если перспективная труба окажется пригодной, с изобретателем должно заключить соглашение об изготовлении трех таких инструментов из горного хрусталя и что ему должно быть предписано не разглашать о своем изобретении кому бы то ни было. 6-го того же месяца Собрание согласилось выдать Липперсгею 900 флоринов за один такой инструмент. 15-го декабря они осмотрели инструмент, изобретенный Липперсгеем для смотрения двумя глазами и одобрили его; но так как многие другие были знакомы с этим новым изобретением, позволяющим видеть на расстоянии, они не сочли удобным предоставить ему исключительную привилегию на изготовление подобных инструментов. Однако они выдали ему заказы на изготовление для правительства двух других инструментов для видения двумя глазами, с уплатой ему за его работу такого же вознаграждения, как и в первом случае» [21, с. 70--71].

Таким образом, последний документ дает все основания утверждать, что Липперсгей изобрел сначала монокулярную, а затем не позднее сентября 1608 г., и бинокулярную зрительную трубу. Указанная дата совпадает также с показаниями трех свидетелей (о которых говорилось выше), опрошенных Городским советом города Миддельбурга. Тот факт, что Липперсгею было отказано в привилегии на изготовление зрительных труб, свидетельствует о том, что уже в 1608 г. зрительные трубы изготовлялись «многими», как сказано в Акте, мастерами. В первую очередь здесь, видимо, имелась в виду зрительная труба Якоба Метциуса (или Адриансона), представленная Генеральным Штатам в октябре 1608 г. Заявление Метциуса об изобретении им зрительной трубы приводится в «Диоптрике» X. Гюйгенса: «Их Милостям, Генеральным Штатам Соединенных Нидерландов. Якоб Адриансон, сын Адриана Антонисона, бывшего бургомистра города Алькмара, свидетельствует, что в течение двух лет, в часы, свободные от его ремесла, он занимался изысканием тех тайных способов, которые были достигнуты предшествующими [мастерами] в деле использования и применения стекла. Путем опытов с некоторым инструментом, которым он пользовался для другой цели, он пришел к заключению, что с помощью его [этого инструмента], зрение может быть расширено до такой степени, что предметы, не видимые или неразличимые вследствие их отдаленности, могут стать ясно видимыми. Заметив это, он произвел ряд опытов с целью дальнейшего усовершенствования его и он настолько преуспел со своим инструментом, что предмет может быть увиден столь же далекий и различим столь же отчетливо, как с тем инструментом, который недавно был представлен Вашим Милостям одним гражданином, мастером очков из Миддельбурга [Липперсгеем], согласно заключению Его Величества [принца Морица] и других, кто производил опыты с соответственными инструментами, сравнивая их друг с другом.

Хотя инструмент просителя сделан из очень дешевого материала и ради одного только опыта, не может быть все же сомнения, что его можно значительно улучшить с помощью лучших материалов. Помимо того, он предполагает и надеется настолько усовершенствовать это свое изобретение, что тем временем кто-либо может предвосхитить его, сделав копию или подражая его инструментам, и конструируя их на основах, которых он (с милостью Бога) достиг благодаря своему собственному мастерству, трудолюбию и размышлению, и таким образом лишить его плодов, на которые он мог бы по справедливости рассчитывать. Он нижайше просит поэтому Ваши Милости предоставить ему привилегию, по которой всем, кто до того не имел или не пользовался этим изобретением, запрещено было бы копировать в целом или в части, или же покупать или продавать такие инструменты, изготовленные лицами, не имеющими на то разрешения или не получившими специального согласия просителя, с риском подвергнуться конфискации этих инструментов и уплатить штраф в размере 100 гульденов за каждый. Наконец, предоставить просителю на двадцать лет, или как будет иначе обусловлено, такие права в отношении пользования этим инструментом и обслуживания им Государства, какие решат Ваши Милости с вашей обычной благожелательностью и осмотрительностью» [23, с. 591].

Таким образом, из приведенных выше документов следует, что одновременно с Липперсгеем и независимо от него, не позднее 1608 г. Якоб Метциус изобрел зрительную трубу. Что же касается Захария Янсена, то здесь с уверенностью можно сказать только то, что он был, по-видимому, одним из многочисленных изготовителей зрительных труб после 1608--1609 гг.

«Во всяком случае, -- пишет С.Ж. Вавилов, -- какой-то итальянец в 1590 г. построил трубу, и она начала ходить по рукам как секрет, который прежде всего хотели продать за хорошие деньги для военных надобностей. История так называемого «изобретения» телескопа является поэтому путаным клубком различных темных махинаций не столько оптиков, сколько дельцов и жуликов (известно, например, что 3. Янсен обвинялся как фальшивомонетчик). Такая история имеет мало отношения к оптике... Существенно только, что в начале XVII в. для военных и государственных людей (например, окружения Генриха IV) стало постепенно выясняться значение оптических труб для мореплавания и военного дела» [9, с. 255].

Так или иначе, в истории создания зрительной трубы важно то обстоятельство, что она была впервые создана чисто эмпирически практиками, а не учеными-теоретиками, обладавшими к этому времени достаточным количеством знаний. Следов взаимосвязи между наукой и практикой снова не существовало, каждая из них развивалась самостоятельно.

Весть об изобретении и существовании зрительной трубы дошла до Галилео Галилея. В вышедшем в 1610 г. «Звездном вестнике» Галилей писал: «Месяцев десять тому назад дошел до наших ушей слух, что некий бельгиец построил перспективу (perspicillum)6, при помощи коей видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимыми, как будто бы они были близкими. Сообщалось об опытах с этим удивительным прибором, одни их подтверждали, другие отрицали. Несколько дней спустя это было подтверждено мне в письме Французским дворянином Жаком Балодоверо (Jaques Balodouere) из Парижа. Это и было причиной, по которой я обратился к изысканию оснований и средств для изобретения сходного органа. Вскоре после сего, опираясь на учение о преломлениях, я постиг дело и сначала изготовил свинцовую трубу, на концах коей я поместил два очковых стекла, оба плоских с одной стороны, с другой стороны одно стекло было выпукло-сферическим, другое же вогнутым. Помещая за сим глаз у вогнутого стекла, я видел предметы достаточно большими и близкими, именно они казались в три раза ближе и в десять раз больше, чем при рассматривании естественным глазом. После сего я разработал более точную трубу, которая представляла предметы увеличенными больше чем в шестьдесят раз. За сим, не жалея никакого труда и никаких средств, я достиг того, что построил себе орган, настолько превосходный, что вещи казались через него при взгляде почти в тысячу раз крупнее и более чем в тридцать раз приближенными, чем при рассматривании с помощью естественных способностей» [24, с. 60].

Сам Галилей так описывал в «Il Saggiatore» («Пробирщик») (1623 г.) историю открытия зрительной трубы и степень своего участия в этом открытии: «В какой мере участвовал я в открытии того инструмента и могу ли я с основанием называть это участие, я давно уже писал в моем «Звездном вестнике». Я описывал, как Венецию, где я тогда находился, достигли новости, что синьору графу Маврицию была представлена одним голландцем оптическая труба, в которую удаленные предметы были видны столь совершенно, как будто они были совсем близко. Больше ничего в этом сообщении добавлено не было. Узнав об этом, я вернулся в Падую, где тогда проживал, и начал размышлять над этой задачей. В первую же ночь после моего возвращения я ее решил, и на следующий день изготовил инструмент, о коем и сообщил в Венецию тем же самым друзьям, с которыми предшествующий день я рассуждал о сем деле. Я принялся затем тотчас же за изготовление другого, более совершенного инструмента, который и привез шесть дней спустя в Венецию. Здесь в него с большим удивлением смотрело почти все высшее дворянство этой республики непрерывно в течение больше месяца, от чего я чрезвычайно устал. Наконец, по совету некоего моего восторженного покровителя, я представил инструменты Дожу на пленуме Совета. О том, как он был оценен и, с каким восторгом принят, свидетельствуют письма Дожа, хранящиеся до сих пор у меня. Великодушие этого яснейшего князя выразилось в вознаграждении меня за представленное изобретение пожизненным закреплением за мною кафедры в Падуанском университете с удвоением моего жалования по сравнению с тем, кое я имел раньше, что означало втрое больше, чем у какого-либо моего предшественника.

Но, может быть, кто-нибудь скажет, что немалая помощь в открытии и в решении какой-нибудь задачи -- узнать сначала каким-нибудь образом о правильности заключения и быть уверенным, что не ищешь невозможного. Поэтому известия и несомненность, что оптическая труба уже сделана, помогли мне настолько, что без этого я ничего бы не нашел. На это я отвечу двояко. Я скажу, что помощь, оказанная мне известием, пробудила во мне желание напрячь мысль, что, может быть, без этого я никогда не стал бы думать о трубе; но я не считаю, что известие такого рода могло еще иначе воздействовать на изобретение. Более того, я утверждаю, что найти решение указанной и названной задачи есть дело более трудное, чем нахождение решения задачи, о которой не думали и которую не называли, ибо при этом громадную роль может иметь случай; там же все есть результат рассуждения. Теперь мы достоверно знаем, что голландец, первый изобретатель телескопа, был простым мастером обыкновенных очков. Случайно, перебирая стекла разных сортов, он взглянул сразу через два стекла, одно выпуклое, другое вогнутое, причем они находились на разных расстояниях от глаза. Таким образом, он увидел и наблюдал действие, которое при этом получается, и так открыл инструмент. Я же, движимый сказанным извещением, нашел инструмент путем рассуждения. стекло зеркало очки преломление

Рассуждение мое было таким: это сооружение состоит или из одного стекла, или более чем из одного. Оно не может состоять только из одного. Фигура стекла или выпуклая, т. е. более толстая в середине, чем к краям, или вогнутая, т. е. более тонкая в середине, или же ограничена параллельными поверхностями; такое стекло совсем не изменяет видимых предметов увеличением или уменьшением, вогнутое их уменьшает, а выпуклое их значительно увеличивает, показывает очень неотчетливыми и искаженными. Посему одного стекла недостаточно для получения эффекта. Я перешел затем к двум стеклам и, зная, что стекло с параллельными поверхностями ничего не изменяет, как сказано, заключил, что эффект не может также произойти от сочетания его с каким-нибудь из двух остальных. Посему я захотел испытать, что получается из соединения двух остальных, т. е. выпуклого и вогнутого, и увидел, что при этом искомое получается. Таков ход моего открытия, в нем я не получил никакой помощи от слышанного мнения о справедливости заключения. Но если Сарси7 или прочие полагают, что несомненность заключения очень облегчает нахождение способа осуществления эффекта, то пусть они почитают истории о том, как Архит изобрел летающего голубя, а Архимед -- зеркало, сжигающее на громадных расстояниях, и прочие удивительные машины, на основании того, что рассказывалось другими о зажигании вечного огня и о сотнях иных удивительных вещей. Рассуждая об этом, они могли легко к величайшей славе их и с пользою изобрести устройства или, по крайней мере, когда это не удавалось, находили другие благодеяния. Отсюда лучше уясняется, что легкость, которая будто бы возникает от предварительного знания действительности эффекта, на самом деле много меньше, чем думают [25, р. 257--258].

Таким образом, Галилей создал зрительную трубу на научной основе, опираясь на те знания, которые были накоплены в оптике к этому времени. Здесь уже появляется связь между наукой и практикой. Как мы видим, в некоторых случаях наука в своем развитии отстает от практики и лишь подводит научную базу под открытия, сделанные эмпирическим путем.

Галилей создал телескопическую систему из двух линз: одной выпуклой и одной вогнутой. Возникает вопрос: почему Галилей не создал систему из двух выпуклых линз? «Возможно, потому, -- отвечает на этот вопрос С.И. Вавилов, -- что, исходя из своей логической схемы, он сразу начал с возможно более сложного случая. Из рассказов Галилея далее следует, что у него не было никаких новых теоретических представлений о действии сферических линз по сравнению с тем, что знали Леонардо, Мавролико и де ля Порта. Отличие от предшественников состояло прежде всего в живом, ясном и широком понимании Галилеем возможностей нового инструмента для мореходства, военного дела и астрономии. Для Леонардо и де ля Порта зрительная труба была одним из фокусов «натуральной магии», вроде камеры-обскуры и «магических» зеркал. Галилей передает в полном соответствии с действительностью, с какой неслыханной быстротой он сумел по одному намеку найти схему трубы, усовершенствовать ее, доведя увеличение до очень больших размеров, и без промедления реализовать основные применения ее. Эти черты открытия Галилея и делают его несравнимым по значению с открытиями Леонардо и де ля Порта, прошедшими незамеченными не только для современников, но и, по сути дела, для самих авторов» [9, с. 259].

Две зрительные трубы Галилея и разбитый объектив третьей трубы (рис. 5) хранятся в настоящее время в музее истории науки во Флоренции. Из астрономических наблюдений, проведенных в мае 1923 г. с помощью этих зрительных труб, следует, что первая из них имела разрешающую способность 20" и поле зрения 15', а вторая соответственно 10" и 15' [26]. Полученные результаты измерений оптических характеристик всех линз зрительных труб Галилея сведены в таблицы 1 и 2 [26, с. 199]. Увеличение первой трубы было 14х, а второй 19,5х. Третья зрительная труба, от которой сохранился только разбитый объектив, при применении окуляров от первой и второй зрительных труб имела бы соответственно увеличение 17,8 х и 34,6 х.

Создание Галилеем реальной конструкции телескопа ознаменовало собой подлинную революцию в оптике. Характерной особенностью этой революции явилось то, что первостепенное значение в ней играла техника. Оптика Галилея имеет принципиальное отличие от оптики, существовавшей до него. Именно он понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб совершенно различно, а использование очковых линз в зрительных трубах совершенно неприемлемо. Начиная с 1609 г. кустарная техника изготовления очков и техника точного изготовления линз обособляются. Точная оптика входит в науку как новое средство познания мира и становится предметом изучения для самых выдающихся деятелей XVII в.

Галилей усовершенствовал технологию изготовления линз до такой степени, какой она никогда до него не достигала [27, с. 286]. Это позволило ему изготовить зрительную трубу тридцатикратного увеличения, в то время как зрительные трубы очковых мастеров увеличивали всего в три раза. Сам Галилей так объясняет действие своей трубы (рис. 6): «Пусть для более легкого понимания труба будет ABCD. Если бы в трубе не было никаких зрительных стекол, то лучи к предмету FG шли бы по линиям ECF, EDG; после же вставки зрительных стекол они пойдут по преломленным линиям ЕСН, EDI; они, таким образом, стесняются, и те, которые ранее, будучи свободными, направились бы к предмету FG, теперь смогут охватить только часть HI» [28, с. 7]. Здесь Галилей говорит об изменении поля зрения при рассматривании предмета невооруженным глазом и через зрительную трубу.

Осенью 1609 г. Галилей направил созданную им зрительную трубу на небо и сделал первые телескопические наблюдения, открывшие новую и неожиданную картину мира, удаленность звезд, сложность Млечного Пути, солнечные пятна, вращение Солнца, строение лунной поверхности. Научная деятельность Галилея и его личный научный героизм имели огромное значение для победы гелиоцентрической системы мира.

Об открытиях Галилея очень скоро, 15 марта 1610 г., узнает Иоганн Кеплер. О том, как Кеплер воспринял эти открытия, лучше всего говорят выдержки из его письма к Галилею от 19 апреля того же года: «И вот около мартовских ид (т. е. 15 марта) через скороходов пришла в Германию весть, что ты, мой Галилей, вместо чтения чужой книги занялся собственной невероятнейшего содержания о четырех до сих пор неизвестных планетах (уже не говорю о других главах книги), найденных при помощи двойной зрительной трубы; когда это перед моим домом сказал мне с повозки советник его императорского величества и референдарий священной императорской консистории Иоганн Матвей Вакгер фон Вакенфельс, то меня в размышлении об услышанном охватило такое удивление, такие сильные поднялись душевные движения (как будто неожиданно разрешились старинные наши небольшие споры), что он от радости, я же от стыда, оба от смеха, смущенные новостью, еле могли успокоиться, он рассказывал, я же слушал. Мое изумление усилилось из-за уверения Вакгера, что об Галилее это пишут славнейшие в науке мужи, серьезностью и постоянством далеко отстоящие от общественной суеты, и что эта книга уже находится в печати и придет со следующими гонцами» [29, с. 22].

Вскоре Кеплер получил от Галилея дарственный экземпляр его книги «Звездный вестник» с просьбой дать на него отзыв. Уже 19 апреля 1610 г. этот отзыв -- знаменитый «Разговор со звездным вестником» («Dissertatio cum Nuntio Sidereo») --был отправлен Галилею. «Это замечательное письмо является характерным образцом информационного источника, с помощью которого распространялись тогда сведения о научных исследованиях -- ведь научной периодики тогда еще не существовало» [30, с. 138]. Кеплер абсолютно доверяет тому, что видел Галилей в телескоп: «Может быть, я покажусь слишком смелым, -- пишет, он, -- если так легко поверю твоим утверждениям, не подкрепляясь никаким собственным опытом. Но почему же мне не верить ученейшему математику, о правоте которого свидетельствует самый стиль его суждений, который далек от суетности и для стяжания общего признания не будет говорить, что он видел то, чего на самом деле не видел, не колеблясь из любви к истине противоречить распространеннейшим мнениям» [31, S. 288-289].

В «Разговоре» Кеплер -- подробно и обстоятельно разбирает вопрос о зрительной трубе (телескопе). Обращаясь к истории телескопа, он анализирует работы де ла Порта, свои собственные труды («Дополнения к Вителлию» (1604 г.)), а также выясняет, что нового сделано Галилеем. Ссылаясь на свои рассуждения в «Дополнениях» о свойствах системы из выпуклой и вогнутой линз, Кеплер пишет: «Описание этого самого в моей книге может напомнить интересующемуся читателю о его устройстве, в особенности, если чтение моих объяснений соединить с текстом Порты» [31, с. 292].

При чтении этих строк совершенно естественно возникает вопрос: почему Кеплер, зная свойства линз и их комбинаций, не попытался использовать их для создания телескопа и астрономических наблюдений? Кеплер сам ставит такой вопрос и сам на него отвечает: «он считал, что это было бесполезно, так как при сильном увеличении вследствие «небесной субстанции» все равно нельзя было бы различить никаких подробностей, ведь и на Земле мелкие части видимых предметов в удалении становятся неясными из-за толщины слоя воздуха» [30, с. 140].

Заинтересовавшись открытиями Галилея, Кеплер в 1610 г. вновь возвращается к рассмотрению оптических вопросов. Уже через несколько дней после окончания работы над «Разговором со звездным вестником», у него созрел проект создания принципиально новой зрительной трубы, состоящей из двух двояковыпуклых линз (рис. 7), получившей впоследствии его имя. За два месяца -- август и сентябрь 1610 г. им была написана «Диоптрика», в которой подробно разрабатывается теория зрительных труб, да и вообще оптических приборов. (В этой книге и помещен рисунок хода лучей в «трубе Кеплера», который мы здесь воспроизводим.) О значении этой основополагающей работы в развитии технической оптики будет сказано ниже.

Задача ставится Кеплером следующим образом: «С помощью двух двояковыпуклых стекол получить отчетливые, большие, но обратные изображения» [31, с. 387]. «Пусть линза, служащая объективом, находится на таком расстоянии от предмета, что его обратное изображение получается неотчетливым. Если теперь между глазом и этим неотчетливым изображением, недалеко от последнего поставить второе собирательное стекло (окуляр), то оно сделает исходящие от предмета лучи сходящимися и даст благодаря этому отчетливое изображение» [30, с. 127-128]. Кеплером была предусмотрена и возможность получения прямого изображения включением в данную систему третьей линзы.

Зрительная труба по схеме Кеплера (рис. 8) имела ряд преимуществ по сравнению с трубой по схеме Галилея: помимо большего поля зрения она давала возможность получить в фокальной плоскости действительное изображение наблюдаемого объекта. Последнее позволяло использовать трубу Кеплера в качестве визирного приспособления: для сравнения изображения далекого объекта с другим «эталонным» объектом, расположенным в фокальной плоскости трубы, а это в свою очередь открывало возможность применения окулярного микрометра (рис. 9), который был изобретен англичанином Вильямом Гаскойном в 1638 г. [32, с. 46]. Последнее значительно расширило возможности телескопа, превратив его из инструмента наблюдательного в инструмент измерительный.

Однако сам Кеплер практической конструкцией своей трубы не занимался. Для этого у него не было ни средств, ни специалистов, которые могли бы ему помочь в сооружении этого инструмента. Первым, кто воплотил идею Кеплера в жизнь был, по-видимому, К. Шейнер. В своем сочинении о солнечных пятнах [33, с. 130] он писал: «Этим способом я представил тринадцать лет тому назад изображение рассматриваемых объектов светлейшему эрцгерцогу австрийскому Максимилиану, а позже и его святейшему величеству Императору... Если приладить две подобные линзы в трубе и должным образом приставить глаз, то можно увидеть различные земные объекты в перевернутом, правда, положении, но зато невероятными по своим размерам, отчетливости и обширности; но еще удобнее наблюдать звезды, ибо, поскольку все они круглые, перевернутое положение не нарушает их внешнего вида и видимой конфигурации, что, конечно, не так в отношении земных объектов... Если равным образом укрепить в трубе две выпуклые окрашенные линзы и приблизить ее к глазу, вы будете иметь изумительный гелиоскоп».

Таким образом, К. Шейнер, вероятнее всего не позднее 1613 г., сконструировал свой телескоп по схеме Кеплера, который он использовал для демонстрации солнечных пятен, вследствие чего он назвал свой прибор гелиоскопом (рис. 10). Шейнером была также впервые построена конструкция трехлинзового телескопа, так называемой земной трубы, дающей прямое изображение.

Так заканчиваются первые страницы истории телескопа. Вслед за ними будет еще немало ярких страниц (создание зеркального телескопа, изобретение ахроматической оптики и др.).

Появление и развитие телескопических систем в XVII в. вызвало подлинную революцию как в оптике, так и в астрономии. Собственно именно благодаря широкому практическому использованию телескопических систем родилась техническая оптика как наука, а в астрономии появились новые приборы (телескопы, гелиоскопы и др.), дающие возможность, с одной стороны, более глубоко изучать Вселенную, а с другой, -- способствующие дальнейшему прогрессу в развитии технической оптики.

Размещено на Allbest.ru