Если вы думаете об этом, то это был только вопрос времени, когда был изобретен первый телескоп. Люди были очарованы кристаллами на протяжении тысячелетий. Многие кристаллы - например, кварц - полностью прозрачны. Другие - рубины - поглощают одни частоты света и пропускают другие. Формирование кристаллов в сферы может быть сделано путем раскалывания, кручения и полировки - это удаляет острые края и округляет поверхность. Рассеивание кристалла начинается с поиска недостатка. Создание полусферы или сегмента кристалла создает две разные поверхности. Свет собирается выпуклой лицевой стороной и проецируется на точку схождения плоской задней лицевой стороной. Поскольку сегменты кристалла имеют жесткие кривые, точка фокусировки может быть очень близка к самому кристаллу. Из-за коротких фокусных расстояний кристаллические сегменты делают лучшие микроскопы, чем телескопы.
Это был не кристаллический сегмент, а стеклянная линза, которая сделала возможными современные телескопы. Выпуклые линзы выходили из стеклянной поверхности для коррекции дальнозоркости. Хотя и очки, и сегменты кристаллов выпуклые, дальнозоркие линзы имеют менее жесткие изгибы. Лучи света только слегка изогнуты от параллели. Из-за этого точка, где изображение принимает форму, находится намного дальше от объектива. Это создает масштаб изображения, достаточно большой для детального осмотра человеком.
Первое использование линз для улучшения зрения можно проследить до Ближнего Востока 11-го века. В арабском тексте (тезаурус Opticae, написанный ученым-математиком Аль-Хазеном) отмечается, что сегменты хрустальных шаров можно использовать для увеличения небольших объектов. Говорят, что в конце 13-го века английский монах (возможно, ссылающийся на «Перспективу» Роджера Бэкона 1267 года) создал первые практические очки с фокусировкой, чтобы помочь в чтении Библии. Лишь в 1440 году Николай Кузанский заземлил первую линзу, чтобы исправить близорукость -1. И пройдет еще четыре столетия, прежде чем дефектам самой формы линз (астигматизму) поможет набор очков. (Это было сделано британским астрономом Джорджем Эйри в 1827 году, примерно через 220 лет после другого - более известный астроном - Иоганн Кеплер впервые точно описал влияние линз на свет.)
Самые ранние телескопы приобрели форму сразу после того, как шлифовка очков стала общепризнанным средством исправления близорукости и пресбиопии. Поскольку дальнозоркие линзы являются выпуклыми, они являются хорошими «собирателями» света. Выпуклая линза берет параллельные лучи на расстоянии и сгибает их в общую точку фокусировки. Это создает виртуальное изображение в космосе - то, которое можно проверить более внимательно, используя второй объектив. Достоинство собирательной линзы двоякое: она объединяет свет (увеличивает его интенсивность) и усиливает масштаб изображения - и в той степени, которая потенциально намного больше, чем способен только один глаз.
Вогнутые линзы (используемые для коррекции близорукости) излучают свет наружу и делают глаза менее заметными. Вогнутая линза может увеличить фокусное расстояние глаза всякий раз, когда собственная система глаза (фиксированная роговица и трансформирующаяся линза) не справляется с фокусировкой изображения на сетчатке. Вогнутые линзы делают хорошие окуляры, потому что они позволяют глазу более внимательно исследовать виртуальное изображение, полученное с помощью выпуклой линзы. Это возможно, потому что сходящиеся лучи от собирающей линзы преломляются к параллели вогнутой линзой. Эффект состоит в том, чтобы показать соседнее виртуальное изображение как бы на большом расстоянии. Одна вогнутая линза позволяет глазной линзе расслабиться, как будто она сфокусирована на бесконечности.
Объединение выпуклых и вогнутых линз было лишь вопросом времени. Мы можем представить себе самый первый случай, когда дети играли с тяжелым трудом точильщика линз - или, возможно, когда оптик чувствовал необходимость осмотреть одну линзу, используя другую. Такое переживание должно было казаться почти волшебным: отдаленная башня мгновенно вырисовывается, как будто к ней приближаются в конце долгой прогулки; неузнаваемые фигуры внезапно становятся близкими друзьями; естественные границы - такие как каналы или реки - перепрыгивают, как будто собственные крылья Меркурия были прикреплены к лечению ...
Как только телескоп появился, возникли две новые оптические проблемы. Легкие собирающие линзы создают изогнутые виртуальные изображения. Эта кривая слегка «чашеобразная», дно повернуто к наблюдателю. Это, конечно, прямо противоположно тому, как сам глаз видит мир. Потому что глаз видит вещи как бы расположенные на большой сфере, центр которой лежит на сетчатке. Поэтому нужно было что-то сделать, чтобы направить периметровые лучи назад к глазу. Эта проблема была частично решена астрономом Кристианом Гюйгенсом в 1650-х годах. Он сделал это, объединив несколько линз в единое целое. Использование двух линз принесло больше периферических лучей от собирающей линзы к параллели. Новый окуляр Huygen эффективно сгладил изображение и позволил глазу добиться фокусировки в более широком поле зрения. Но это поле все еще вызовет клаустрофобию у большинства наблюдателей сегодня!
Последняя проблема была более неразрешимой - преломляющие линзы изгибали свет в зависимости от длины волны или частоты. Чем больше частота, тем больше искривляется цвет света. По этой причине объекты, отображающие свет разных цветов (полихроматический свет), не видны в одной и той же точке фокусировки по всему электромагнитному спектру. В основном линзы действуют подобно призмам, создавая цветовые оттенки, каждый из которых имеет свой уникальный фокус.
Первый телескоп Galileo только решил проблему сближения глаз, чтобы увеличить виртуальное изображение. Его инструмент состоял из двух линз, разделенных контролируемым расстоянием для установки фокуса. Линза объектива имела менее жесткую кривую, чтобы собирать свет и направлять его в различные точки фокусировки в зависимости от цветовой частоты. Объектив меньшего размера - обладающий более жесткой кривой более короткого фокусного расстояния - позволил наблюдательному глазу Галилея подойти достаточно близко к изображению, чтобы увидеть увеличенные детали.
Но прицел Галилея можно было сфокусировать только вблизи середины поля зрения окуляра. И фокус может быть установлен только на основе доминирующего цвета, излучаемого или отражаемого тем, что Галилей просматривал в то время. Галилей обычно наблюдал яркие исследования - такие как Луна, Венера и Юпитер - с использованием диафрагмы и гордился тем, что придумал эту идею!
Кристиан Гюйгенс создал первый - окуляр Гюйгена - после времен Галилея. Этот окуляр состоит из двух плосковыпуклых линз, обращенных к собирающей линзе, а не одной вогнутой линзы. Фокальная плоскость двух линз лежит между линзой объектива и линзой. Использование двух линз сглаживало кривую изображения - но только на уровне примерно нескольких градусов видимого поля зрения. Со времен Хейгена окуляры стали намного более изощренными. Начиная с этой оригинальной концепции множественности, современные окуляры могут добавить еще полдюжины или около того оптических элементов, переставленных как по форме, так и по положению. Астрономы-любители теперь могут приобретать окуляры с полки, давая достаточно плоские поля, превышающие видимый диаметр-80 градусов.
Третья проблема - проблема многоцветных изображений с хроматическим оттенком - не была решена в телескоп до тех пор, пока в 1670-х годах сэр Исаак Ньютон не спроектировал и не построил работающий рефлекторный телескоп. Этот телескоп устранил собирающую линзу в целом - хотя это все еще требуется использование огнеупорного окуляра (что способствует гораздо меньше «ложному цвету», чем цель делает).
Между тем ранние попытки исправить рефрактор должны были просто сделать их длиннее. Были разработаны прицелы до 140 футов в длину. Ни у кого не было особенно непомерных диаметров линз. Такие тонкие диназавры нуждались в по-настоящему предприимчивом наблюдателе, чтобы использовать их, но они «смягчали» проблему цвета.
Несмотря на устранение цветовой ошибки, у ранних отражателей тоже были проблемы. Прицел Ньютона использовал зеркальное зеркало сферической формы. По сравнению с алюминиевым покрытием современных зеркальных зеркал, зеркала являются слабым исполнителем. Примерно на три четверти светосборная способность алюминия, отражателя, теряет около одной величины в световом захвате. Таким образом, шестидюймовый инструмент, разработанный Ньютоном, вел себя больше как современная 4-дюймовая модель. Но это не то, что затрудняло продажу инструмента Ньютона, оно просто обеспечивало очень низкое качество изображения. И это было связано с использованием сферически заземленного основного зеркала.
Зеркало Ньютона не позволило сфокусировать все лучи света. Ошибка не заключалась в зеркале - она лежала в форме зеркала, которое, если его развернуть на 360 градусов, образовало бы полный круг. Такое зеркало не в состоянии привести центральные световые лучи в ту же точку фокусировки, что и те, что ближе к краю. Лишь в 1740 году шотландский Джон Шорт исправил эту проблему (для осевого освещения), параболизируя зеркало. Шорт добился этого очень практичным способом: поскольку параллельные лучи ближе к центру сферического зеркала перекрывают крайние лучи, почему бы просто не углубить центр и обуздать их?
Лишь в 1850-х годах серебро заменило зеркальное отражение в качестве предпочтительной зеркальной поверхности. Конечно, более 1000 параболических отражателей, изготовленных Джоном Шортом, имели зеркальные зеркала. А серебро, как и зеркала, со временем довольно быстро теряет отражательную способность при окислении. К 1930 году первые профессиональные телескопы были покрыты более прочным и отражающим алюминием. Несмотря на это улучшение, маленькие отражатели обеспечивают меньше света для фокусировки, чем рефракторы с сопоставимой апертурой.
Между тем, рефракторы тоже развивались. Во времена Джона Шорта оптики выяснили, чего не было у Ньютона - как заставить красный и зеленый свет сливаться в общей точке фокусировки с помощью преломления. Впервые это было достигнуто Честер Мур Холл в 1725 году и вновь открыт четверть века спустя Джон Долланд. Холл и Долланд объединили две разные линзы - одну выпуклую и другую вогнутую. Каждый из них состоял из разных типов стекла (корона и кремень), по-разному преломляющих свет (на основании показателей преломления). Выпуклая линза из коронного стекла выполнила непосредственную задачу сбора света всех цветов. Это согнуло фотоны внутрь. Отрицательная линза слегка отклоняла сходящийся луч наружу. Там, где положительная линза вызывала красный свет, что приводило к смещению фокуса, отрицательная линза вызывала красный луч, что приводило к неполадкам. Красный и зеленый смешались, и глаз увидел желтый. Результатом стал ахроматический телескоп-рефрактор - тип, который сегодня предпочитают многие астрономы-любители за недорогую малую апертуру и широкое поле, но - при более коротких фокусных отношениях - меньше, чем при использовании идеального качества изображения.
Лишь в середине девятнадцатого века оптикам удалось заставить сине-фиолетовые цвета сосредоточиться на красном и зеленом. Первоначально эта разработка возникла из-за использования экзотических материалов (мула) в качестве элемента в двойных целях мощных оптических микроскопов, а не телескопов. Трехэлементная конструкция телескопа с использованием стандартных типов стекла - триплетов - также решила эту проблему примерно сорок лет спустя (незадолго до двадцатого века).
Сегодняшние астрономы-любители могут выбирать из широкого ассортимента типов прицелов и производителей. Нет единой возможности для всех исследований неба, глаз и небесных тел. Проблемы плоскостности поля (особенно с быстрыми ньютоновскими телескопами) и огромных оптических трубок (связанных с большими рефракторами) были решены с помощью новых оптических конфигураций, разработанных в 1930-х годах. Типы приборов - такие как SCT (телескоп Шмидта-Кассегрена) и MCT (телескоп Максутова-Кассегрена), а также варианты Шмидта и Максутова в стиле ньютона и наклонные отражатели - теперь производятся в США и во всем мире. Каждый тип области видимости разработан для решения какой-либо действительной проблемы или другой, связанной с размером области, объемом, плоскостностью поля, качеством изображения, контрастностью, стоимостью и портативностью.
Тем временем рефракторы заняли центральное место среди оптофилов - людей, которые хотят получить максимально возможное качество изображения независимо от других ограничений. Полностью апохроматические (с цветовой коррекцией) рефракторы обеспечивают некоторые из самых потрясающих изображений, доступных для оптического, фотографического и ПЗС-изображений. Но, увы, такие модели ограничены меньшими апертурами из-за значительно более высокой стоимости материалов (экзотических кристаллов с низкой дисперсией и стекла), изготовления (до шести оптических поверхностей должны иметь форму) и более высоких требований к нагрузке (из-за тяжелых дисков из стекла ).
Все сегодняшнее разнообразие типов прицелов началось с открытия, что две линзы неравной кривизны могут быть подведены к глазу для переноса человеческого восприятия на большие расстояния. Как и многие великие технологические достижения, современный астрономический телескоп возник из трех основных компонентов: необходимость, воображение и растущее понимание того, как энергия и материя взаимодействуют.
Так откуда взялся современный астрономический телескоп? Конечно, телескоп прошел долгий период постоянного совершенствования. Но, может быть, просто возможно, телескоп по сути является даром самой Вселенной, восхищающейся глубоким восхищением человеческими глазами, сердцами и умами ...
-1 Существуют вопросы о том, кто первым создал очки, исправляющие дальновидный и близорукий вид. Маловероятно, что Абу Али аль-Хасан ибн аль-Хайтам или Роджер Бэкон когда-либо использовали объектив таким образом. Смущает вопрос о происхождении - вопрос о том, как на самом деле носили очки. Вполне вероятно, что первая визуальная помощь была просто прикована к глазу как монокль - необходимость оттуда. Но можно ли исторически называть такой примитивный метод «происхождением зрелища»?
-2 Способность конкретного окуляра компенсировать обязательно искривленное виртуальное изображение принципиально ограничена эффективным фокусным соотношением и масштабной архетектурой. Таким образом, телескопы, фокусное расстояние которых во много раз превышает их апертуру, представляют меньшую мгновенную кривую в «плоскости изображения». В то же время прицелы, которые изначально преломляют свет (как катадиоптики, так и рефракторы), обладают преимуществом лучшей обработки внеосевого света. Оба фактора увеличивают радиус кривизны проецируемого изображения и упрощают задачу окуляра по представлению плоского поля глазу.
Об авторе:
Вдохновленный шедевром начала 1900-х годов: «Небо сквозь трех-, четырех- и пятидюймовые телескопы», Джефф Барбур начал изучать астрономию и космические науки в возрасте семи лет. В настоящее время Джефф посвящает большую часть своего времени наблюдению за небесами и поддержанию веб-сайта Astro.Geekjoy.
