Страница 22 из 76
Сколь достоверна эта история, остается неясным, но когда шлифовальщик очков из того же Миддельбурга Линерегей и некий Мецус подали заявку на выдачу им привилегии на зрительную трубу, то в спор О приоритете вступил и Янсен. Соседи поддержали его притязания, утверждая, что их дети действительно видели через прибор Янсена флюгер на крыше увеличенным, хотя и перевернутым. Как видно, речь шла о зрительной трубе с двумя выпуклыми линзами, которую, как известно, можно применять и в качестве микроскопа.
Первые достоверные сведения о микроскопе относятся к 1609–1610 годам. В это время Галилей после триумфальных астрономических открытий приспосабливает свою зрительную трубу для наблюдения мелких предметов.
В 1612 году Галилей изготовил и послал микроскоп в дар польскому королю Сигизмунду. Его микроскоп, как и зрительная труба, содержал выпуклую линзу — объектив, и вогнутую линзу — окуляр. Однако этот вариант оказался не лучшим. Дальнейшее усовершенствование микроскопа пошло по пути, начало которого восходит к Янсену. Судьба микроскопа складывалась менее удачно, чем судьба телескопа. Зрительные трубы для наблюдения удаленных предметов были весьма популярны среди мореплавателей, ими пользовались и полководцы. Великие открытия Галилея привлекли к телескопам всеобщее внимание. Микроскоп же не сразу нашел себе практическое применение и долго оставался неким курьезом. Лишь открытие Левенгука изменило ситуацию.
В свое время изготовлением и теорией действия микроскопов заинтересовался Ломоносов. Он первым использовал их в химических исследованиях. Другой русский ученый академик Эйлер разрабатывал методы расчета объективов для микроскопов, дающих изображение, способное соперничать по качеству с изображением линз Левенгука, тайну изготовления которых подозрительный голландец унес в могилу.
Дело в том, что шлифовальщики стремились придать поверхностям линз идеальную сферическую форму, ибо только сферические поверхности можно было получать при помощи существовавших тогда станков. Впрочем, большинство современных линз тоже имеет сферические поверхности. Однако такие простые линзы применяются только в очках, где кривизна поверхности не велика. Если же радиус поверхности линзы должен быть малым, как в объективе микроскопа, то линзы со сферическими поверхностями дают сильно искаженное изображение. Искажения такого типа называются сферической аберрацией.
Конструкторы оптических приборов поняли, что сферическая аберрация возникает вследствие того, что не все лучи, идущие от удаленного предмета вдоль оси линзы, собираются в общем фокусе. Лучи, проходящие через центральную часть линзы, фокусируются ближе к ней, чем лучи, идущие через внешнюю периферическую часть. В результате точечный источник выглядит на экране не как точка, а как небольшой диск. Поняв причину искажений, конструкторы нашли и меры борьбы с ней: вместо одной линзы научились применять систему надлежащим образом подобранных выпуклых и вогнутых сферических линз. Но такая коррекция не была радикальной, она могла реализоваться только для определенного расстояния системы линз от объекта. Только много позже стало возможным изготовление особых линз со специальной несферической формой поверхности.
В зрительных трубах, телескопах и микроскопах обнаружились искажения и другой природы: контуры изображений размывались радужными окаймлениями. Причина этих искажений тоже была в конце концов понята: лучи разного цвета преломляются по-разному и фокусируются на различных расстояниях от линзы. Так, красный свет преломляется слабее, чем синий, и фокусируется дальше от линзы. Хроматическая аберрация, вздыхают конструкторы… Бороться с ней гораздо труднее, чем со сферической аберрацией. Даже великий Ньютон, который ошибался очень редко, считал, что хроматическая аберрация неустранима. Он исходил из опыта, который привел его к неправильному выводу о том, что все стекла совершенно одинаково преломляют лучи различного цвета. Ньютон ошибался, но он этого не знал.
Правда, еще при жизни Ньютона малоизвестный бельгийский оптик профессор Люкас повторил опыты Ньютона и получил противоположный результат — преломляющая способность различных стекол зависела от цвета световых лучей Но Ньютон не поверил, а его мнение было законом для остальных физиков.
Несомненно, Эйлер доверял мнению Ньютона, но сам работал не со стеклами, а изучал оптические свойства глаза И убедился, что глаз является оптическим прибором, не дающим хроматической аберрации — здоровый человек видит контуры предметов без каких-либо радужных каемок. Эйлер объяснил это свойство глаза тем, что глаз содержит несколько преломляющих сред, так что хроматическая аберрация в них компенсируется. На этой основе он предложил изготавливать объективы телескопов из двух линз и слоя воды между ними.
Английский оптик Доллонд ухватился за идею Эйлера, но, зная опыты Ньютона и продолжая опираться на них, пришел к выводу, что преодолеть хроматическую аберрацию можно только при бесконечно большом диаметре линзы. Эйлер стоял на своем. В трактатах 1752 и 1753 годов он вновь возвращается к своему предложению. Неизвестно, чем бы кончился спор, если бы через год один профессор математики не сообщил, что опыт Ньютона не точен…
Доллонд, узнав об этом, решил испытать все доступные ему сорта стекол и, в результате двухлетних трудов, достиг цели — изготовил ахроматический объектив. Как было принято в то время и зачастую практикуется в наши дни, Доллонд сообщил о своем открытии без указания точных размеров и метода расчета. Поэтому изготовление ахроматических объективов долгое время оставалось монополией семьи Доллондов. Впрочем, впоследствии Доллонд признался, что нужные размеры стекол подбирались для каждого сорта путем многократных проб. Различия в свойствах отдельных партий стекла не позволяли разработать соответствующие расчетные методы.
Эйлер все еще верил результатам Ньютона и вначале считал, что Доллонд не решил задачи построения ахроматического объектива, а просто удачно скомпенсировал сферическую аберрацию. Но затем он убедился в правоте Доллонда и разработал метод, позволяющий расчетным путем определять такую форму нескольких линз, чтобы их комбинация одновременно компенсировала сферическую и хроматическую аберрации.
Метод Эйлера открыл новую эпоху в создании зрительных труб. Особенно важным он оказался для микроскопов — изображения, даваемые длиннофокусными объективами телескопов, меньше страдали от аберраций, чем получаемые короткофокусными объективами микроскопов Многие виднейшие математики, среди них Клеро, Даламбер, сам Эйлер, петербургский академик Эпинус, разработавший современный объектив с длинным тубусом — оправой, в которой линзы укреплялись на некотором расстоянии одна от другой, — продолжали совершенствовать методы расчета объективов. Важность таких работ подчеркивалась тем, что Петербургская академия наук назначила за них премию.
Казалось бы, математические методы открывали путь к беспредельному улучшению объективов. Создавалась уверенность, что, улучшая методы расчета и увеличивая точность изготовления линз, можно добиться и идеальной четкости изображения, и беспредельного его увеличения. Впрочем, со временем стало ясно, что качества микроскопа (так же, как и телескопа) далеко не полностью характеризуются достижимым увеличением. Важно не увеличение само по себе, не отношение размера изображения к размеру объекта, а качество изображения и предельно малая величина деталей объекта, которые можно различить в его отображении. А этому мешают не только разного рода аберрации, но и другие причины. Искажения могут быть связаны не только с отклонением поверхности линз от строго рассчитанной формы, но и с тем, что изображение зачастую приходится наблюдать не в той плоскости, для которой скорректирована сферическая аберрация. Тогда даже при идеальной форме линз прямые линии получаются изогнутыми и квадрат выглядит как подушка с вогнутыми или выпуклыми краями.