Первые телескопы. Телескоп галилея Какой телескоп был изобретен в 1610 году

МОУ Озёрская СОШ

«История создания телескопа»

Исполнитель: Плохотнюк Алёна,

Учитель-консультант: В.

2уч. Год

1. Введение……………………………………………………………..3стр.

2. История первых телескопов:

2.1. Открытие детей мастера Липперсгея………………………3-4стр.

2.2. «Телескопическая лихорадка»………………………………..4стр.

2.3. Телескопы братьев Гюйгенс………………………………….5стр.

2.4. Телескопы Галилея…………………………………………5-6стр.

3. Назначение телескопов…………………………………………..6-7стр.

4. Виды телескопов:

4.1. Телескоп-рефрактор………………………………………….7стр.

4.2. Телескоп-рефлектор………………………………………….7стр.

4.3. Менисковый телескоп. ………...…………………………….7стр.

5. Возможности современных телескопов:

5.1. Телескоп без глаза…………………………………………....8стр.

5.2. Радиотелескопы……………………………………………8-9стр.

5.3. Инфракрасные телескопы……………………………………9стр.

5.4. Ультрафиолетовые телескопы…………………………….....9стр.

5.5. Рентгеновский телескоп………………………………………9стр.

5.6. Гамма-телескопы…………………………………………….10стр.

6. Примеры телескопов…………………………………………..10-11стр.

7. Космический телескоп………………………………………...11-12стр.

8. Заключение……………………………………………………..…12стр.

9. Приложение……………………………………………………13-14стр.

10. Список используемой литературы……………………………..15стр.

“Унося наши чувства далеко за границы воображения

наших предков, эти замечательные инструменты,

телескопы, открывают путь к более глубокому

и более прекрасному пониманию природы”
Рене Декарт, 1637г.

1. Введение

Небо существует только для человека и только в его мыслях. Ведь небо есть не что иное, как картина космоса, наблюдаемая человеком с его крохотного обиталища – Земли. Представления людей о звёздном мире меняются из года в год. О космосе невозможно сказать, что он уже познан, ведь в нем столько тайн, столько самых невероятных событий…

Иногда, глядя в небо, я задумывалась над тем, как же могли еще в старину, глядя на, казалось бы, не подвижное, почти не меняющееся небо, делать открытия, находить новые планеты, определять траектории движения планет, одним словом, «разгадывать» тайны Вселенной. Ведь далеко не все можно увидеть невооруженным глазом. Заинтересовавшись этой проблемой, я выяснила, что первым астрономическим прибором был телескоп. За прошедшие века он совершенствовался и изменялся. Какой восторг вызвал у обывателей и учёных мужей первый телескоп! Какие невероятные открытия за этим последовали! Но с годами телескоп не утратил своей значимости. Именно поэтому мне захотелось узнать, каким же был первый телескоп, кто был его первооткрывателем и какими возможностями обладает современный телескоп? И вот какие «открытия» я для себя сделала…

2. История первых телескопов:

2.1. Открытие детей мастера Липперсгея

В самом начале XVII столетия жил в голландском городе Миддельбурге оптик Липперсгей. (Приложение) Обыкновенный ремесленник, мастер по изготовлению очковых стекол. Однажды сынишка Липперсгея сидел дома. Чтобы развлечься, мальчуган вытащил на подоконник целый ворох отшлифованных испорченных очковых стекол и стал складывать их, заглядывая поочередно в получившиеся сочетания. Он рассматривал мух. Зажимая линзы в кулаках, подносил их к глазам. Потом он взял в каждую руку по стеклу и приставил оба кулака к одному глазу одновременно,… Что тут произошло! Мальчик закричал, бросил стекла, закрыл глаза руками и убежал в глубину комнаты. Ему показалось, что башня ратуши, на которую он посмотрел через две линзы, шагнула ему на встречу. Это было похоже на колдовство.

Прошло несколько дней – Липперсгей явился магистрат. В руках у мастера была свинцовая трубка со вставленными в неё линзами. Этот удивительный снаряд позволял созерцать отдаленные предметы так, как если бы они находились совсем рядом. Липперсгей предложил продать городским властям «свое изобретение». Миддельбургские купцы охотно глядели в трубку, размахивали широкими рукавами, но признать автором изобретения Липперсгея отказывались. Липперсгей много раз пытался запатентовать и продать трубку то голландским Генеральным штатам, то принцу Морицу Оранскому. Однако патента так и не получил. Скоро в соседних городах объявились и другие оптики, претендующие на честь изобретения зрительной трубки. Слухи о голландском изобретении покатилось по всей Европе, обрастая невероятными подробностями и искажениями.

2.2. «Телескопическая лихорадка»

В середине XVII века «телескопическая лихорадка» захватила всех. В городах линзы шлифовали в домах ремесленников и купцов, дворян и вельмож . Изготовление телескопов стало модным. А наблюдение неба – просто необходимым занятием каждого более или менее образованного человека. Теперь люди могли не просто следить за перемещением по небу блуждающих звезд, но и рассматривать подробности строения Луны, наблюдать планеты вместе со спутниками. Правда, первое время такие исследования требовали от наблюдателя массы усилий. Плохое качество шлифованных линз давало вместо светящейся точки мутное расплывчатое пятно, окруженное вдобавок цветным ореолом. (Приложения №2-7)

2.3. Телескопы братьев Гюйгенс

Главной задачей стало получение телескопов с большим увеличением. В середине XVII столетия шлифовкой линз и устройством телескопов увлекся сын богатого голландца Христиан Гюйгенс. Будучи совсем молодым человеком, он теоретически нашел наилучшую форму линз. Получалось, что для уменьшения искажений кривизна поверхности одной линзы должна быть в шесть раз меньше, чем у другой. Но вот беда: оптика в то время ещё не научились шлифовать линзы с заданной кривизной.

Выход оставался один: собирать телескопы из большого количества слабых, но дающих хорошее изображение линз. Так появились первые длинные телескопы.

Первый инструмент, который построил Христиан Гюйгенс вместе с братом, имел 12 футов в длину. Это примерно три с половиной метра. А отверстие его было всего 57 миллиметров. То есть в шестьдесят раз меньше длины.

Гюйгенс с его помощью открывает спутник Сатурна. Кроме того, он смутно видит у планеты те же странные выступы по бокам. Чтобы разглядеть загадочные образования у Сатурна, братья Гюйгенсы берутся за постройку еще более длиннофокусного телескопа. Его размеры должны быть 23 фута. Такую длинную трубу уже трудно подвешивать к столбам, ещё труднее её поворачивать и наводить. На Гюйгенс не сдаётся и в конце концов открывает кольцо Сатурна. Скоро, чтобы облегчить конструкцию телескопа, вместо труб стали делать легкие рамы из деревянных планок. На рамках укрепляли объектив и окуляр, а в промежутке ставили диафрагмы.

Длина телескопа продолжается расти. Она достигла сначала 20, потом 30, даже 40 и более метров. Пришлось отказаться от рам. Объектив в небольшой оправе укрепляли на крыше здания или на специальной вышке. Наблюдатель же, с окуляром в руках, старался расположиться так, чтобы желаемое светило оказалось в створе с объективом и окуляром.

2.4. Телескопы Галилея.
В 1609, узнав об изобретении голландскими оптиками зрительной трубы, Галилей (Приложение) самостоятельно изготовил телескоп с плосковыпуклым объективом и плосковогнутым окуляром, который давал трехкратное увеличение. Через некоторое время им были изготовлены телескопы с 8- и 30-кратным увеличением.(приложение №4) В 1609, начав наблюдения с помощью телескопа, Галилей обнаружил на Луне темные пятна, названные им морями, горы и горные цепи. 7 января 1610 открыл четыре спутника планеты Юпитер, установил, что Млечный Путь является скоплением звезд.

После того как утихли первые восторги по поводу новых возможностей, открытых телескопами, наблюдатели всерьёз задумались над качеством изображения. Все открытия, «лежавшие на поверхности», были уже сделаны, и люди видели, люди понимали, что для дальнейшего проникновения в тайны неба Земли нужно улучшать инструменты.

Первым приемником изображений в телескопе, изобретенным Галилеем в 1609 году, был глаз наблюдателя. С тех пор не только увеличились размеры телескопов, но и принципиально изменились приемники изображения. В начале ХХ века в астрономии стали употребляться фотопластинки, чувствительные в различных областях спектра. Затем были изобретены фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП). (Приложения №9-10)
3. Назначение телескопов

Какими бы ни были конструкции телескопов, у них есть общие черты. Назначение всех телескопов заключатся в увеличении угла зрения, под которым видны небесные тела. Телескоп собирает во много раз больше света, приходящего от небесного светила, чем глаз человека. Благодаря этому в телескоп можно рассматривать не видимые невооруженным глазом детали поверхности ближайших в Земле небесных тел и увидеть множество слабых звезд.

Основная задача телескопа, как и любого оптического прибора, максимально четко и детально передать наблюдателю то, что он хочет увидеть. Само слово телескоп, имеет греческое происхождение, что в дословном переводе означает "далеко видеть".

Эволюция параметров оптических телескопов:

4. Виды телескопов:

Существует несколько типов оптических телескопов: телескоп-рефрактор, телескоп-рефлектор, менисковые телескопы.

4.1. Телескоп-рефрактор

Рефракция - это преломление лучей света. Самая простая схема телескопа-рефрактора, представляет собой 2 линзы, одна - объектив, вторая - окуляр. Принцип работы телескопа, основан на преломлении лучей света и сведении их в одной точке, которая называется фокусом (F). В этой точке строится изображение объекта, который можно рассмотреть потом с помощью окуляра.

4.2. Телескоп-рефлектор

Рефлекс - это отражение. В основе данного типа телескопа, лежит способность лучей отражаться от поверхности объектива (вогнутого зеркала в виде сферы или параболоида) и фокусироваться, на определенном расстоянии. (Приложение)

4.3. Менисковый телескоп

Менисковые (зеркально-линзовые) телескопы, благодаря своей простоте, получили большее распространение, чем рефракторные системы, так как они представляют собой гибрид двух предыдущих систем (для того чтобы управлять ходом лучей в них используются и линзы, и зеркала). Практически все крупные обсерватории используют именно эту технологию.

5. Возможности современных телескопов:

Прошли десятилетия. Конструкции телескопов претерпевали большие изменения. Росла их сложность, но в тоже время возрастали и их возможности. Что же можно сказать о современных телескопах? Какими возможностями они обладают?

5.1. Телескоп без глаза

Одной из самых ненадежных деталей телескопа всегда был глаз наблюдателя. Поэтому, как только стало возможным, астрономы стали заменять глаз приборами. Если подсоединить вместо окуляра фотоаппарат, то изображение, получаемое объективом можно запечатлеть на фотопластине или фотопленке. Фотопластина способна накапливать световое излучение, и в этом ее неоспоримое и важное преимущество перед человеческим глазом. Фотографии с большой выдержкой способны отобразить несравненно больше, чем под силу рассмотреть человеку в тот же самый телескоп. Ну и конечно, фотография останется как документ, к которому неоднократно можно будет в последствии обратиться.

5.2. Радиотелескопы

В качестве объектива радиотелескопа чаще всего выступает металлическая чаша параболоидной формы. Собранный ею сигнал принимается антенной, находящейся в фокусе объектива. Антенна связана с ЭВМ, которая обычно и обрабатывает всю информацию, строя изображения в условных цветах. Радиотелескоп, как и радиоприемник, способен одновременно принимать только какую-то длину волны. Чтобы собрать приемлемое количество информации о светилах в радиолучах, астрономы строят огромные по размерам телескопы. Сотни метров – вот тот не столь уже удивительный рубеж для диаметров объективов, который достигнут современной наукой. Кроме сбора излучаемой небесными телами энергии, радиотелескопам доступно «подсвечивание» поверхности тел Солнечной системы радиолучами. Сигнал, посланный, скажем с Земли на Луну, отразится от поверхности нашего спутника и будет принят тем же телескопом, что и посылал сигнал. Этот метод исследований называется радиолокацией. Самый грандиозный пример таких исследований – полное картографирование поверхности Венеры, проведенное АМС «Магеллан» на стыке 80-х и 90-х годов. Теперь мы знаем о рельефе Венеры лучше, чем о рельефе Земли (!), ведь на Земле покрывало океанов мешает проводить изучение большей части твердой поверхности нашей планеты. (Приложение)

5.3. Инфракрасные телескопы

Инфракрасные волны – это тепло. Такие телескопы не обладают способностью оптических воспринимать сразу все длины волн диапазона. Устройство, обычно, делается чувствительным к некоторым узким участкам спектра. В этом инфракрасные телескопы похожи на радиотелескопы, принимающие сигнал только на одной длине волны. Похоже и построение изображения объекта в невидимых глазу лучах в условных цветах. Часто на инфракрасных фотографиях используют оттенки красного цвета для характеристики интенсивности излучения той или иной части изображения. Во многом, конструкция самих инфракрасных телескопов схожа с конструкцией оптических зеркальных телескопов. Большая часть тепловых лучей поддается отражению обычным телескопическим объективом и фокусированию в одной точке, где и размещается прибор, измеряющий тепло.

5.4. Ультрафиолетовые телескопы

Фотографическая пленка, особенно если она специально для этого сделана, способна засвечиваться и ультрафиолетовыми лучами. Поэтому принципиальной проблемы в фотографировании ультрафиолетовых изображений не стоит. Кроме того, в значительной части ультрафиолетового диапазона удается принимать системы с зеркальным объективом и регистрирующим устройством. Ультрафиолетовые телескопы схожи по своей конструкции с инфракрасными или оптическими. Применение фильтров позволяет выделять излучение определенных участков диапазона.

5.5. Рентгеновский телескоп

Фотоны с высокими энергиями, к которым относятся и фотоны рентгеновских волн, уже пробивают всевозможные системы зеркальных объективов. Регистрация таких волн по силам счетчикам элементарных частиц, таким, как счетчик Гейгера. Попадающая в такое устройство частица вызывает кратковременный импульс тока, который и регистрируется.

5.6. Гамма-телескопы

Гамма-фотоны еще более энергичны, чем фотоны рентгеновского излучения. Их тоже регистрируют специальные устройства-счетчики, только иной конструкции. Увы, разрешение гамма-телескопов не превосходит двух-трех градусов. Гамма-телескопы сегодня регистрируют само наличие и примерное направление на так называемые гамма-вспышки – мощные всплески гамма-излучения, причин которых еще не нашли. Более или менее точно указать место вспышки позволяет одновременное наблюдение вспышки двумя-тремя гамма-телескопами. Совместное использование гамма-телескопов и телескопов, принимающих другие типы излучения, в последние годы помогло отождествлять некоторые гамма-вспышки с тем или иным видимым объектом.

6. Примеры телескопов

Приведу несколько примеров современных телескопов и обсерваторий.

На Паломарской обсерватории при помощи зеркально-линзового телескопа системы Шмидта был проведен обзор, состоящий из тысячи карт, запечатлевших в двух цветах объекты неба до 21-й звездной величины. Пятиметровый телескоп Паломарской обсерватории является самым старым из крупнейших телескопов мира. (Приложение)
На 10-метровом зеркале телескопа «Кек-1» на Гавайских островах при помощи сегментирования получено разрешение 0,02". Там же на высоте 4150 м над уровнем моря расположен телескоп «Кек-2». (Приложение)
Телескоп VLT (Very Large Telescope) (приложение №), который находится на севере Чили на вершине горы Паранал в пустыне Атакама на высоте 2635м над уровнем моря, состоит из четырех идентичных телескопов, размеры каждого из которых 8,2м. Все четыре телескопа смогут работать в режиме интерферометра со сверхдлинной базой и получать изображения, как на телескопе с 200–метровым зеркалом. В настоящее время производится отладка всей системы в гигантский оптический интерферометр. (Приложение)

7. Космический телескоп
Особое значение в наш космический век придается орбитальным обсерваториям. Наиболее известная из них – космический телескоп им. Хаббла – запущен в апреле 1990 года и имеет диаметр 2,4м. После установки в 1993 году корректирующего блока телескоп регистрирует объекты вплоть до 30-й звездной величины, а его угловое увеличение – лучше 0,1" (под таким углом видна горошина с расстояния в несколько десятков километров). С помощью телескопа удалось получить снимки далеких объектов Солнечной системы, наблюдать падение кометы Шумейкеров – Леви на Юпитер и извержение Ио, изучить цефеиды и квазары, получить снимки предельно слабых галактик. Исследования с орбиты проводятся не только в оптическом, но и во всех других диапазонах электромагнитного излучения.
Астрономические данные, полученных на различных современных телескопах, накапливаются на специальных компьютерах. Обычно результаты наблюдений в течение года считаются собственностью получившего их ученого. Затем данные переходят в общее пользование. В настоящее время создаются виртуальные обсерватории, в которых будут доступны данные наблюдений с обсерваторий VLT, Космического телескопа им. Хаббла и других.

Находясь над поверхностью Земли на расстоянии свыше 600км, космический телескоп имени Хаббла внёс неоценимый вклад в астрономию. Благодаря ему мы многое поняли о процессе рождения и смерти звезд, эволюции галактик, возникновении и развитии Вселенной, благодаря ему, черные дыры из разряда теоретических гипотез перешли в разряд реальных объектов. Этот телескоп – наш глаз, которым мы рассматриваем Вселенную. Когда телескоп направлен на какой-нибудь звёздный объект, его бортовые компьютеры преобразуют показания приборов в длинные ряды чисел, которые передаются на Землю через спутники связи . Затем эти данные преобразуются в текстовую и видеоинформацию, над которой и работают учёные. На телескопе есть спектрографы и камеры, работающие в области УФ-, видимого и ИК-областей спектра.

Своё имя телескоп получил в честь астронома Хаббла. После того, как в 1929 году он обнаружил, что все галактики удаляются от Земли, Хаббл выдвинул гипотезу расширения вселенной. Это было самое впечатляющее наблюдение в астрономии XX в., вызвавшее появление теории Большого Взрыва, которая объясняет, как возникла и эволюционирует наша Вселенная.

Приведу некоторые параметры данного телескопа.

Длина телескопа……..13,3 м

Диаметр……………..…4,2 м

Масса…………….....11 100 м

Высота орбиты………612 км

Конструкция телескопа позволяет астронавтам легко снимать с него приборы и другие элементы во время сеансов орбитального техобслуживания и заменять их более совершенными. Гарантия безотказной работы приборов – 20 лет. (Приложение)

8. Заключение

Я думаю, что совершенствование телескопов будет продолжаться и в дальнейшем, ведь их роль в познании Вселенной неоценима. Возможно, что моим детям в школе будут рассказывать о телескопах, которые бороздят просторы Вселенной и передают на Землю информацию с далеких звездных систем, о других галактиках. А кто-то из моих будущих внуков когда-нибудь о телескопе Хаббла будет писать в своём научном исследовании как об ушедшем в историю, но, всё же, знаменитом телескопе.

10. Список используемой литературы

1. Учебник «Астрономия»-11класс; , Москва, «Просвещение», 2003.

2. «Небо земли»; , Ленинград, «Детская литература», 1974.

4. Интернет ресурсы: www. /…/manager2.cgi? id=19&num=1076

Любой человек, который когда-либо интересовался астрономией, знает, что телескоп - это прибор, предназначенный для наблюдения небесных светил. В частности, под телескопом понимается оптическая телескопическая система, применяемая не обязательно для астрономических целей.

Существуют телескопы для всех диапазонов электромагнитного спектра: оптические телескопы, радиотелескопы, рентгеновские телескопы, гамма-телескопы. Кроме того, детекторы нейтрино часто называют нейтринными телескопами. Также, телескопами могут называть детекторы гравитационных волн.

Оптические телескопические системы используют в астрономии (для наблюдения за небесными светилами), в оптике для различных вспомогательных целей: например, для изменения расходимости лазерного излучения. Также, телескоп может использоваться в качестве зрительной трубы, для решения задач наблюдения за удалёнными объектами.

Первые шаги

Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа были обнаружены в записях Леонардо Да Винчи датируемых 1509-м годом. Сохранилась его запись: «Сделай стекла, чтобы смотреть на полную Луну» («Атлантический кодекс»). В последнее время изобретение первого телескопа приписывают Гансу Липпершлею из Голландии. Но мало кто знает, что задолго до него Томас Диггес, астроном, который в 1450 году попытался увеличить звезды с помощью выпуклой линзы и вогнутого зеркала.

Однако у него не хватило терпения доработать устройство, и полу-изобретение вскоре было благополучно забыто. Сегодня Диггеса помнят за описание гелиоцентрической системы. Скорее всего, заслуга Липпершлея состоит в том, что он первый сделал новый прибор телескоп популярным и востребованным. А также именно он подал в 1608 году заявку на патент на пару линз, размещенный в трубке. Он назвал устройство подзорной трубой. Однако его патент был отклонен, поскольку его устройство показалось слишком простым.

К концу 1609 года небольшие подзорные трубы, благодаря Липпершлею, стали распространены по всей Франции и Италии. В августе 1609 года Томас Харриот доработал и усовершенствовал изобретение, что позволило астрономам рассмотреть кратеры и горы на Луне.

Время перемен.

Сами телескопы превратились в большие неподъемные трубы по размеру и, конечно, были не удобны в использовании. Тогда для них изобрели штативы. Телескопы постепенно улучшали, дорабатывали. Однако его максимальный диаметр не превышал нескольких сантиметров -- не удавалось изготавливать линзы большого размера.

Заслуга эта целиком и полностью принадлежит Исааку Ньютону, именно он сумел дать новую жизнь телескопам с помощью зеркала. Его первый рефлектор имел диаметр всего четыре сантиметра. А первое зеркало для телескопа диаметром 30 мм он сделал из сплава меди, олова и мышьяка в 1704 году. Изображение стало четким. Кстати, его первый телескоп до сих пор бережно хранится в астрономическом музее Лондона.

Но еще долгое время оптикам никак не удавалось делать полноценные зеркала для рефлекторов.

Прорыв в телескопостроении

Годом рождения нового типа телескопа принято считать 1720 год, когда англичане построили первый функциональный рефлектор диаметром в 15 сантиметров. Это был прорыв. В Европе появился спрос на удобоносимые, почти компактные телескопы в два метра длиной. О 40-метровых трубах рефракторов стали забывать.

А фундаментальный принцип Ньютона с применением одного вогнутого зеркала использовался в Специальной астрофизической обсерватории в России с 1974 года. Расцвет рефракторной астрономии произошел в 19 веке, тогда диаметр ахроматических объективов постепенно рос. Если в 1824 году диаметр был еще 24 сантиметра, то в 1866 году его размер вырос вдвое, в 1885 году диаметр стал составлять 76 сантиметров (Пулковская обсерватория в России), в к 1897 году изобретен йеркский рефрактор. Можно посчитать, что за 75 лет линзовый объектив увеличивался со скоростью одного сантиметра в год.

Другой, ставший не менее известным, астроном-любитель английский землевладелец лорд Росс изобрел рефлектор с зеркалом с диаметром в 182 сантиметра. Благодаря телескопу, он открыл ряд неизвестных спиральных туманностей. Телескопы Гершеля и Росса обладали множеством недостатков. Объективы из зеркального металла оказались слишком тяжелыми, отражали лишь малую часть падающего на них света и тускнели. Требовался новый совершенный материал для зеркал. Этим материалом оказалось стекло. Французский физик Леон Фуко в 1856 году попробовал вставить в рефлектор зеркалом из посеребренного стекла. И опыт удался. Уже в 90-х годах астроном-любитель из Англии построил рефлектор для фотографических наблюдений со стеклянным зеркалом в 152 сантиметра в диаметре. Очередной прорыв в телескопостроении был очевиден.

Этот прорыв не обошелся без участия русских ученых. Я.В. Брюс прославился разработкой специальных металлических зеркал для телескопов. Ломоносов и Гершель, независимо друг от друга, изобрели совершенно новую конструкцию телескопа, в которой главное зеркало наклоняется без вторичного, тем самым уменьшая потери света.

Немецкий оптик Фраунгофер поставил на конвейер производство и качество линз. И сегодня в Тартуской обсерватории стоит телескоп с целой, работающей линзой Фраунгофера. Но рефракторы немецкого оптика также были не без изъяна - хроматизма.

Лишь к концу 19 века изобрели новый метод производства линз. Стеклянные поверхности начали обрабатывать серебряной пленкой, которую наносили на стеклянное зеркало путем воздействия виноградного сахара на соли азотнокислого серебра.

Эти принципиально новые линзы отражали до 95% света, в отличие от старинных бронзовых линз, отражавших всего 60% света. Л. Фуко создал рефлекторы с параболическими зеркалами, меняя форму поверхности зеркал. В конце 19 века Кросслей, астроном-любитель, обратил свое внимание на алюминиевые зеркала.

Купленное им вогнутое стеклянное параболическое зеркало диаметром 91 см сразу было вставлено в телескоп. Сегодня телескопы с подобными громадными зеркалами устанавливаются в современных обсерваториях. В то время как рост рефрактора замедлился, разработка зеркального телескопа набирала обороты. С 1908 по 1935 года различные обсерватории мира соорудили более полутора десятков рефлекторов с объективом, превышающих йеркский. Самый большой телескоп установлен в обсерватории Моунт-Вильсон, его диаметр 256 сантиметров. И даже этот предел совсем скоро был превзойден вдвое. В Калифорнии смонтирован американский рефлектор-гигант, на сегодня его возраст более пятнадцати лет.
Более 30 лет назад в 1976 году ученые СССР построили 6-метровый телескоп БТА - Большой Телескоп Азимутальный. До конца 20 века БРА считался крупнейшим в мире телескопом Изобретатели БТА были новаторами в оригинальных технических решениях, таких как альт-азимутальная установка с компьютерным ведением. Сегодня это новшества применяются практически во всех телескопах-гигантах. В начале 21 века БТА оттеснили во второй десяток крупных телескопов мира. А постепенная деградация зеркала от времени - на сегодня его качество упало на 30% от первоначального - превращает его лишь в исторический памятник науке.
К новому поколению телескопов относятся два больших телескопа 10-метровых близнеца KECK I и KECK II для оптических инфракрасных наблюдений. Они были установлены в 1994 и 1996 году в США. Их собрали благодаря помощи фонда У. Кека, в честь которого они и названы. Он предоставил более 140 000 долларов на их строительство. Эти телескопы размером с восьмиэтажный дом и весом более 300 тонн каждый, но работают они с высочайшей точностью. Принцип работы - главное зеркало диаметром 10 метров, состоящее из 36 шестиугольных сегментов, работающих как одно отражательное зеркало. Установлены эти телескопы в одном из оптимальных на Земле мест для астрономических наблюдений - на Гаваях, на склоне потухшего вулкана Мануа Кеа высотой 4 200 метра.

Steegle.com - Google Sites Tweet Button

В эти дни мы отмечаем 400-летие создания оптического телескопа - самого простого и самого эффективного научного прибора, распахнувшего перед человечеством дверь во Вселенную. Честь создания первых телескопов по праву принадлежит Галилею.

Как известно, Галилео Галилей занялся экспериментами с линзами в середине 1609 г., после того как узнал, что в Голландии для потребностей мореплавания была изобретена зрительная труба. Ее изготовили в 1608 году, возможно, независимо друг от друга голландские оптики Ганс Липперсгей, Яков Мециус и Захария Янсен. Всего за полгода Галилею удалось существенно усовершенствовать это изобретение, создать на его принципе мощный астрономический инструмент и сделать ряд изумительных открытий.

Успех Галилея в совершенствовании телескопа нельзя считать случайным. Итальянские мастера стекла уже основательно прославились к тому времени: еще в XIII в. они изобрели очки. И именно в Италии была на высоте теоретическая оптика. Трудами Леонардо да Винчи она из раздела геометрии превратилась в практическую науку. «Сделай очковые стекла для глаз, чтобы видеть Луну большой», - писал он в конце XV в. Возможно, хотя и нет этому прямых подтверждений, Леонардо удалось осуществить телескопическую систему.

Оригинальные исследования по оптике провел в середине XVI в. итальянец Франческо Мавролик (1494-1575). Его соотечественник Джованни Батиста де ла Порта (1535-1615) посвятил оптике два великолепных произведения: «Натуральная магия» и «О преломлении». В последнем он даже приводит оптическую схему телескопа и утверждает, что ему удавалось видеть на большом расстоянии мелкие предметы. В 1609 г. он пытается отстаивать приоритет в изобретении зрительной трубы, но фактических подтверждений этому оказалось недостаточно. Как бы то ни было, работы Галилея в этой области начались на хорошо подготовленной почве. Но, отдавая должное предшественникам Галилея, будем помнить, что именно он сделал из забавной игрушки работоспособный астрономический инструмент.

Свои опыты Галилей начал с простой комбинации положительной линзы, в качестве объектива, и отрицательной линзы, в качестве окуляра, дающей трехкратное увеличение. Сейчас такая конструкция называется театральным биноклем. Это самый массовый оптический прибор после очков. Разумеется, в современных театральных биноклях в качестве объектива и окуляра применяются высококачественные просветленные линзы, иногда даже сложные, составленные из нескольких стекол. Они дают широкое поле зрения и отличное изображение. Галилей же использовал простые линзы как для объектива, так и для окуляра. Его телескопы страдали сильнейшими хроматической и сферической аберрациями, т.е. давали размытое на краях и не сфокусированное в различных цветах изображение.

Однако Галилей не остановился, подобно голландским мастерам, на «театральном бинокле», а продолжил эксперименты с линзами и к январю 1610 г. создал несколько инструментов с увеличением от 20 до 33 раз. Именно с их помощью он совершил свои замечательные открытия: обнаружил спутники Юпитера, горы и кратеры на Луне, мириады звезд в Млечном Пути, и т. д. Уже в середине марта 1610 г. в Венеции на латинском языке тиражом 550 экземпляров вышел труд Галилея «Звездный вестник», где были описаны эти первые открытия телескопической астрономии. В сентябре 1610 г. ученый открывает фазы Венеры, а в ноябре обнаруживает признаки кольца у Сатурна, хотя и не догадывается об истинном смысле своего открытия («Высочайшую планету тройною наблюдал», - пишет он в анаграмме, пытаясь закрепить за собой приоритет открытия). Пожалуй, ни один телескоп последующих столетий не дал такого вклада в науку, как первый телескоп Галилея.

Однако те любители астрономии, кто пытался собирать телескопы из очковых стекол, нередко удивляются малым возможностям своих конструкций, явно уступающих по «наблюдательным возможностям» кустарному телескопу Галилея. Нередко современные «Галилеи» не могут обнаружить даже спутники Юпитера, не говоря уже о фазах Венеры.

Во Флоренции, в Музее истории науки (рядом со знаменитой картинной галереей Уффици) хранятся два телескопа из числа первых, построенных Галилеем. Там же находится и разбитый объектив третьего телескопа. Эта линза использовалась Галилеем для многих наблюдений в 1609-1610 гг. и была подарена им Великому герцогу Фердинанду II. Позже линза была случайно разбита. После смерти Галилея (1642 г.) эта линза хранилась у принца Леопольда Медичи, а после его смерти (1675 г.) была присоединена к коллекции Медичи в галерее Уффици. В 1793 г. коллекция передали Музею истории науки.

Очень интересна декоративная фигурная рамка из слоновой кости, изготовленная для галилеевской линзы гравером Витторио Кростеном. Богатый и причудливый растительный орнамент перемежается с изображениями научных инструментов; в узор органично включены несколько латинских надписей. Вверху ранее находилась лента, ныне утраченная, с надписью «MEDICEA SIDERA» («Звезды Медичи»). Центральную часть композиции венчает изображение Юпитера с орбитами 4 его спутников, окруженное текстом «CLARA DEUM SOBOLES MAGNUM IOVIS INCREMENTUM» («Славное [молодое] поколение богов, великое потомство Юпитера»). Слева и справа - аллегорические лики Солнца и Луны. Надпись на ленте, оплетающей венок вокруг линзы, гласит: «HIC ET PRIMUS RETEXIT MACULAS PHEBI ET IOVIS ASTRA» («Он первым открыл и пятна Феба (т.е. Солнца), и звезды Юпитера»). На картуше внизу текст: «COELUM LINCEAE GALILEI MENTI APERTUM VITREA PRIMA HAC MOLE NON DUM VISA OSTENDIT SYDERA MEDICEA IURE AB INVENTORE DICTA SAPIENS NEMPE DOMINATUR ET ASTRIS» («Небо, открытое зоркому разуму Галилея, благодаря этой первой стеклянной вещи показало звезды, до сих пор невидимые, по праву названные их первооткрывателем Медицейскими. Ведь мудрец властвует и над звездами»).

Информация об экспонате содержится на сайте Музея истории науки: ссылка №100101 ; ссылка №404001 .

В начале ХХ века хранящиеся во флорентийском музее телескопы Галилея были изучены (см. табл.). С ними были даже проведены астрономические наблюдения.

Оптические характеристики первых объективов и окуляров телескопов Галилея (размеры в мм)

Оказалось, что первая труба имела разрешающую способность 20" и поле зрения 15". А вторая, соответственно, 10" и 15". Увеличение первой трубы было 14-кратным, а второй 20-кратным. Разбитый объектив третьей трубы с окулярами от первых двух труб давал бы увеличение в 18 и 35 раз. Итак, мог ли Галилей сделать свои изумительные открытия, используя столь несовершенные инструменты?

Исторический эксперимент

Именно таким вопросом задался англичанин Стивен Рингвуд и, чтобы выяснить ответ, создал точную копию лучшего телескопа Галилея (Ringwood S. D. A Galilean telescope // The Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 1994, vol. 35, 1, p. 43-50). В октябре 1992 года Стив Рингвуд воссоздал конструкцию третьего телескопа Галилея и в течение года проводил с ним всевозможные наблюдения. Объектив его телескопа имел диаметр 58 мм и фокусное расстояние 1650 мм. Как и Галилей, Рингвуд диафрагмировал свой объектив до диаметра апертуры D = 38 мм, чтобы получить лучшее качество изображения при сравнительно небольшой потере проницающей способности. Окуляром служила отрицательная линза с фокусным расстоянием -50 мм, дающая увеличение в 33 раза. Поскольку в такой конструкции телескопа окуляр размещается перед фокальной плоскостью объектива, полная длина трубы составила 1440 мм.

Самым большим недостатком телескопа Галилея Рингвуд считает его малое поле зрения - всего 10", или третья часть лунного диска. Причем на краю поля зрения качество изображения очень низкое. При использовании простого критерия Рэлея, описывающего дифракционный предел разрешающей способности объектива, можно было бы ожидать качества изображения в 3,5-4,0". Однако хроматическая аберрация снизила его до 10-20". Проницающая сила телескопа, оцененная по простой формуле (2 + 5lg D ), ожидалась около +9,9 m . Однако в действительность не удалось обнаружить звезд слабее +8 m .

При наблюдении Луны телескоп показал себя неплохо. В него удалось разглядеть даже больше деталей, чем было зарисовано Галилеем на его первых лунных картах. «Возможно, Галилей был неважный рисовальщик, или его не очень интересовали детали лунной поверхности?» - удивляется Рингвуд. А может быть, опыт изготовления телескопов и наблюдения с ними был у Галилея еще недостаточно велик? Нам кажется, что причина именно в этом. Качество стекол, отполированных собственными руками Галилея, не могло соперничать с современными линзами. Ну и, конечно, Галилей не сразу научился смотреть в телескоп: визуальные наблюдения требуют немалого опыта.

Кстати, а почему создатели первых зрительных труб - голландцы - не совершили астрономических открытий? Предприняв наблюдения с театральным биноклем (увеличение 2,5-3,5 раза) и с полевым биноклем (увеличение 7-8 раз), вы заметите, что между их возможностями пролегает пропасть. Современный высококачественный 3-кратный бинокль позволяет (при наблюдении одним глазом!) с трудом заметить крупнейшие лунные кратеры; очевидно, что голландская труба с таким же увеличением, но более низким качеством, не могла и этого. Полевой бинокль, дающий приблизительно те же возможности, что и первые трубы Галилея, показывает нам Луну во всей красе, со множеством кратеров. Усовершенствовав голландскую трубу, добившись в несколько раз более высокого увеличения, Галилей перешагнул через «порог открытий». С тех пор в экспериментальной науке этот принцип не подводит: если вам удастся улучшить ведущий параметр прибора в несколько раз, вы обязательно сделаете открытие.

Безусловно, самым замечательным открытием Галилея явилось обнаружение четырех спутников Юпитера и диска самой планеты. Вопреки ожиданиям, низкое качество телескопа не сильно помешало наблюдениям системы юпитеровых спутников. Рингвуд ясно видел все четыре спутника и смог, как и Галилей, каждую ночь отмечать их перемещение относительно планеты. Правда, не всегда удавалось одновременно хорошо сфокусировать изображение планеты и спутника: очень мешала хроматическая аберрация объектива.

А вот что касается самого Юпитера, то Рингвуд, как и Галилей, не смог обнаружить никаких деталей на диске планеты. Слабоконтрастные широтные полосы, пересекающие Юпитер вдоль экватора, оказались полностью замыты в результате аберрации.

Очень интересный результат получил Рингвуд при наблюдении Сатурна. Как и Галилей, при увеличении в 33 раза он увидел лишь слабые вздутия («загадочные придатки», как писал Галилей) по бокам планеты, которые великий итальянец, конечно же, не мог интерпретировать как кольцо. Однако дальнейшие эксперименты Рингвуда показали, что при использовании других окуляров с большим увеличением, все же можно различить более ясные признаки кольца. Сделай это в свое время Галилей - и открытие колец Сатурна состоялось бы почти на полстолетия раньше и не принадлежало бы Гюйгенсу (1656 г.).

Впрочем, наблюдения Венеры доказали, что Галилей быстро стал искусным астрономом. Оказалось, что в наибольшей элонгации фазы Венеры не видны, ибо слишком мал ее угловой размер. И только когда Венера приблизилась к Земле и в фазе 0,25 ее угловой диаметр достиг 45", стала заметна ее серпообразная форма. В это время ее угловое удаление от Солнца уже было не так велико, и наблюдения затруднены.

Самым же любопытным в исторических изысканиях Рингвуда, пожалуй, явилось разоблачение одного старого заблуждения по поводу наблюдений Галилеем Солнца. До сих пор считалось общепринятым, что в телескоп системы Галилея невозможно наблюдать Солнце, спроецировав его изображение на экран, ибо отрицательная линза окуляра не может построить действительного изображения объекта. Только изобретенный немного позже телескоп системы Кеплера из двух положительных линз дал такую возможность. Считалось, что впервые наблюдал Солнце на экране, помещенном за окуляром, немецкий астроном Кристоф Шейнер (1575-1650). Он одновременно и независимо от Кеплера создал в 1613 г. телескоп аналогичной конструкции. А как наблюдал Солнце Галилей? Ведь именно он открыл солнечные пятна. Долгое время существовало убеждение, что Галилей наблюдал дневное светило глазом в окуляр, пользуясь облаками как светофильтрами или подкарауливая Солнце в тумане низко над горизонтом. Считалось, что потеря Галилеем зрения в старости частично была спровоцирована именно его наблюдениями Солнца.

Однако Рингвуд обнаружил, что и телескоп Галилея может давать вполне приличную проекцию солнечного изображения на экран, причем солнечные пятна видны очень отчетливо. Позже, в одном из писем Галилея, Рингвуд обнаружил подробное описание наблюдений Солнца путем проекции его изображения на экран. Странно, что этого обстоятельства не отмечали раньше.

Думаю, что каждый любитель астрономии не откажет себе в удовольствии на несколько вечеров «стать Галилеем». Для этого нужно всего лишь сделать Галилеев телескоп и попытаться повторить открытия великого итальянца. В детстве один из авторов этой заметки делал из очковых стекол кеплеровы трубы. А уже в зрелом возрасте не удержался и соорудил инструмент, похожий на телескопа Галилея. В качестве объектива была использована насадочная линза диаметром 43 мм силой в +2 диоптрии, а окуляр с фокусным расстоянием около -45 мм был взят от старинного театрального бинокля. Телескоп получился не очень мощный, с увеличением всего в 11 раз, но и у него поле зрения оказалось маленькое, диметром около 50", а качество изображения неровное, значительно ухудшающееся к краю. Однако изображения стали значительно лучше при диафрагмировании объектива до диаметра 22 мм, и еще лучше - до 11 мм. Яркость изображений, разумеется, понизилась, но наблюдения Луны от этого даже выиграли.

Как и ожидалось, при наблюдении Солнца в проекции на белый экран этот телескоп действительно давал изображение солнечного диска. Отрицательный окуляр увеличил эквивалентное фокусное расстояние объектива в несколько раз (принцип телеобъектива). Поскольку не сохранилось сведений о том, на каком штативе Галилей устанавливал свой телескоп, автор наблюдал, удерживая трубу в руках, а в качестве опоры для рук использовал ствол дерева, забор или раму открытого окна. При 11-кратном увеличении этого было достаточно, но при 30-кратном, очевидно, у Галилея могли быть проблемы.

Можно считать, что исторический эксперимент по воссозданию первого телескопа удался. Теперь мы знаем, что телескоп Галилея был довольно неудобным и скверным прибором с точки зрения современной астрономии. По всем характеристикам он уступал даже нынешним любительским инструментам. У него было лишь одно преимущество - он был первым, а его создатель Галилей «выжал» из своего инструмента все, что возможно. За это мы чтим Галилея и его первый телескоп.

Стань Галилеем

Нынешний 2009 год был объявлен Международным годом астрономии в честь 400-летия рождения телескопа. В компьютерной сети, вдобавок к существующим, появилось много новых замечательных сайтов с изумительными снимками астрономических объектов.

Но как бы ни были насыщены интересной информацией сайты Интернета, главной целью МГА было продемонстрировать всем желающим реальную Вселенную. Поэтому в числе приоритетных проектов оказался выпуск недорогих телескопов, доступных любому желающему. Самым массовым стал «галилеоскоп» - маленький рефрактор, спроектированный высокопрофессиональными астрономами-оптиками. Это не точная копия телескопа Галилея, а скорее - его современная реинкарнация. У «галилеоскопа» двухлинзовый стеклянный ахроматический объектив диаметром 50 мм и фокусным расстоянием 500 мм. Четырехлинзовый пластиковый окуляр дает увеличение 25x, а 2x линза Барлоу доводит его до 50x. Поле зрения телескопа 1,5 o (или 0,75 o с линзой Барлоу). С таким инструментом легко можно «повторить» все открытия Галилея.

Впрочем, сам Галилей с таким телескопом сделал бы их значительно больше. Цена инструмента в 15-20 долл. США делает его действительно общедоступным. Любопытно, что со штатным положительным окуляром (даже с линзой Барлоу) «галилеоскоп» в действительности представляет собой трубу Кеплера, но при использовании в качестве окуляра одной лишь линзы Барлоу он оправдывает свое название, становясь 17x трубой Галилея. Повторить открытия великого итальянца в такой (оригинальной!) конфигурации - задача не из легких.

Это весьма удобный и вполне массовый инструмент, пригодный для школ и начинающих любителей астрономии. Его цена значительно ниже, чем у существовавших ранее телескопов с аналогичными возможностями. Было бы весьма желательно приобрести такие инструменты для наших школ.

В ночь на 7 января 1610 г. в истории наблюдательной астрономии произошел подлинный переворот: впервые зрительная труба была направлена на небо. В течение нескольких ночей великий Галилей (1564 — 1642) открыл недоступные невооруженному глазу кратеры, горные вершины и цепи на Луне, спутники Юпитера, мириады звезд, составляющих . Несколько позже Галилей наблюдал фазы Венеры и странные образования у Сатурна (что это были знаменитые кольца, стало известно значительно позже, в 1658 г., в результате наблюдений Гюйгенса).

С завидной оперативностью Галилей публикует результаты своих наблюдений в «Звездном вестнике». Книга почти в 10 печатных листов была набрана и отпечатана всего за несколько дней — явление, почти невозможное даже в наше время. Она вышла уже в марте того же 1610 г.

Галилей не считается изобретателем примененной им зрительной трубы, хотя и изготовил ее лично. Ранее до него дошли слухи, что оптические инструменты, в которых объективом служит плосковыпуклая линза, а окуляром — плосковогнутая, появились в Голландии. Приоритет изобретения оспаривали несколько голландских оптиков, в том числе Захарий Янсен, Якоб Меций и Генрих Липперсгей (последний, по-видимому, имел для этого больше оснований). Однако Галилей сумел самостоятельно разгадать устройство такого прибора и воплотить свое представление об этих трубах «в металл», построив за несколько дней три трубы. Качество каждой последующей было значительно выше предыдущей. Но главное, именно Галилей первым направил свою трубу на небо!

Появилась «голландская» труба не на пустом месте. Еще в 1604 г. вышла книга И. Кеплера «Дополнения к Вителлию, в которых излагается оптическая часть астрономии «.

Написанное в форме дополнения к трактату авторитетного польского ученого XII в. Вителлия (Вителло) это сочинение стало явлением в исследовании законов геометрической оптики. Действительно, Кеплер, рассматривая ход лучей в оптической системе, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, дает теоретическое обоснование устройству будущей «голландской» (или «галилеевой») оптической трубы.

Это тем более удивительно, что сам Кеплер из-за врожденного дефекта зрения не мог быть хорошим наблюдателем. Он страдал монокулярной полиопией (множественным зрением), при которой одиночный объект кажется множественным. Этот дефект усугублялся еще и сильной близорукостью. Но справедливы слова Гёте: «Когда историю жизни Кеплера сопоставляешь с тем, кем он стал и что он сделал, радостно изумляешься и при этом убеждаешься, что истинный гений преодолевает любые препятствия «.

Узнав об открытиях Галилея и получив от него экземпляр «Звездного вестника», Кеплер уже 19 апреля 1610 г. направляет Галилею восторженный отзыв, одновременно публикуя его («Разговор со звездным вестником»), и… возвращается к рассмотрению оптических вопросов. А через несколько дней после завершения «Разговора» Кеплер разрабатывает проект устройства зрительной трубы нового типа — телескопа-рефрактора , описание которого помещает в своем сочинении «Диоптрике». Книга была написана в августе — сентябре того же 1610 г., а вышла из печати в 1611 г.

В этой работе Кеплер среди других рассмотрел в качестве основы астрономической трубы нового типа комбинацию двух двояковыпуклых линз. Задача, поставленная им, формулировалась так: «С помощью двух двояковыпуклых стекол получить отчетливые, большие, но обратные изображения. 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 «.

Кеплер показал, что возможно получение и прямого изображения. Для этого в данную систему необходимо ввести третью линзу.

Преимущество системы, предложенной Кеплером, заключалось прежде всего в большем поле зрения. Известно, что лучи света от звезды, находящейся далеко от оптической оси, не попадают в центр окуляра. И если в вогнутом окуляре «голландско-галилеевой» трубы они еще дальше отклоняются от центра (т. е. не видны), то в выпуклом окуляре Кеплера они соберутся к центру и попадут в зрачок глаза. Благодаря этому значительно увеличивается поле зрения, в котором все наблюдаемые объекты видны ясно и четко. К тому же в плоскости изображения в трубе Кеплера между объективом и окуляром можно поместить прозрачную пластинку с отградуированной на ней сеткой или шкалой. Это позволит производить не только наблюдения, но и необходимые измерения. Ясно, что «кеплерова» труба вскоре вытеснила «голландскую», которая в настоящее время применяется только в театральных биноклях.

У Кеплера не было необходимых средств и специалистов для изготовления телескопа своей конструкции. Но немецкий математик, физик и астроном К. Шейнер (1575-1650) по описанию, данному в «Диоптрике», в 1613 г. построил первый телескоп-рефрактор кеплеровского типа и применил его для наблюдения солнечных пятен и изучения вращения Солнца вокруг оси. Он же позже изготовил и трубу из трех линз, дающую прямое изображение.

Разработка эффективной конструкции телескопа была не единственным вкладом Кеплера в астрономическую и общую оптику. Среди его результатов отметим: доказательство основного фотометрического закона (интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника), разработку математической теории рефракции и теории механизма зрения. Кеплер ввел термины «сходимость» и «расходимость» и показал, что очковые линзы исправляют дефекты зрения, изменяя сходимость лучей, прежде чем те попадут в глаз. Термины «оптическая ось» и «мениск» также введены в научное обращение Кеплером.

И в «Дополнениях», и в «Диоптрике» Кеплер изложил настолько революционный материал, что он вначале не был понят и не скоро одержал победу.

Не так давно итальянский ученый-оптик В. Ронки писал: «Гениальный комплекс работ Кеплера содержит все основные понятия современной геометрической оптики: ничто не утратило здесь значения за минувшие три с половиной столетия. Если какое-либо из положений Кеплера забыто, то об этом можно только пожалеть. Нынешнюю оптику можно с полным правом назвать кеплеровской».

После Кеплера важные шаги в развитии теории и ее практических приложений в оптике были сделаны Р. Декартом (1596-1650) и X. Гюйгенсом (1629-1695). Еще Кеплер пытался сформулировать закон преломления, однако точного выражения для коэффициента преломления ему найти не удалось, хотя в ходе экспериментов им открыто явление полного внутреннего отражения. Точная формулировка закона преломления была дана Декартом в разделе «Диоптрика» знаменитого сочинения «Рассуждение о методе» (1637). Для устранения сферических Декарт комбинирует сферические поверхности линз с гиперболическими и эллиптическими.

Гюйгенс работал с перерывами над своим сочинением «Диоптрика» 40 лет. При этом вывел основную формулу линзы, связав положение предмета на оптической оси с положением его изображения. Для уменьшения сферических аберраций телескопа он предложил конструкцию «воздушного телескопа «, в котором объектив, имевший большое фокусное расстояние, располагался на высоком столбе, а окуляр — на штативе, установленном на земле. Длина такого «воздушного телескопа» достигала 64 м.

С его помощью Гюйгенс обнаружил, в частности, кольца Сатурна и спутник Титан. В 1662 г. Гюйгенс предложил новую оптическую систему окуляра, впоследствии получившую его имя. Окуляр состоял из двух двояковыпуклых линз, разделенных значительным воздушным промежутком. Конструкция позволяла устранить хроматическую аберрацию и астигматизм. Известно также, что Гюйгенсу принадлежит и разработка волновой теории света.

Но для дальнейшего решения теоретических и практических проблем оптики был необходим гений И. Ньютона . Следует отметить, Ньютон (1643-1727) стал первым, кто уяснил, что размытость изображений в телескопе-рефракторе, какие бы усилия не предпринимались для устранения сферической аберрации, связана с разложением белого света на цвета радуги в линзах и призмах оптических систем (хроматическая аберрация ). Ньютон выводит формулу хроматической аберрации.

После многочисленных попыток создать конструкцию ахроматической системы, Ньютон остановился на идее зеркального телескопа (рефлектора) , объектив которого представлял собою вогнутое сферическое зеркало, не обладающее хроматической аберрацией. Овладев искусством получения сплавов и шлифовки металлических зеркал, ученый приступил к изготовлению телескопов нового типа.

Первый рефлектор, построенный им в 1668 г. имел весьма скромные размеры: длина — 15 см, диаметр зеркала — 2,5 см. Второй, созданный в 1671 г., был значительно больше. Он сейчас находится в музее Лондонского королевского общества.

Ньютон изучил также явление интерференции света, измерил длину световой волны, сделал ряд других замечательных открытий в оптике. Он считал свет потоком мельчайших частиц (корпускул), хотя и не отрицал его волновой природы. Только в XX в. удалось «примирить» волновую теорию света Гюйгенса с корпускулярной Ньютона — в физике утвердились представления о корпускулярно-волновом дуализме света.

Историки науки утверждают, что в XVII в. произошла естественно-научная революция. Кеплер был у ее истоков, открыв законы обращения планет вокруг Солнца. Ньютон на завершающем этапе стал основоположником современной механики, создателем математики непрерывных процессов. Эти ученые навечно вписали свои имена и в становлении астрономической оптики.

Развитие ахроматической оптики связано с именем Йозефа Фраунгофера. Иозеф Фраунгофер (1787-1826) был сыном стекольщика. В детстве работал учеником в зеркальной и стекольной мастерских. В 1806 г. поступил на службу в известную в то время крупную оптическую мастерскую Утцшнейдера в Бенедиктбейерне (Бавария); позднее стал ее руководителем и владельцем.

Выпускавшиеся мастерской оптические приборы и инструменты получили широкое распространение во всем мире. Им были введены существенные усовершенствования в технологию изготовления больших ахроматических объективов. Совместно с П. Л. Гинаном, Фраунгофер наладил фабричное производство хорошего флинтгласа и кронгласа, а также внес существенные усовершенствования во все процессы изготовления оптического стекла. Им была разработана оригинальная конструкция станка для полировки линз.

Фраунгофером был предложен также принципиально новый способ обработки линз, так называемый «способ шлифования по радиусу». Для контроля качества обработки поверхностей линз Фраунгофер использовал пробное отекло, а для измерения радиусов кривизны линз — сферометр, конструкция которого была разработана Георгом Райхенбахом в начале XIX в.

Использование пробного отекла для контроля поверхностей линз посредством наблюдения интерференционных «колец Ньютона» является одним из первых методов контроля качества обработки линз. Открытие Фраунгофером темных линий в солнечном спектре и использование их для точных измерений показателя преломления впервые создали реальную возможность использования уже довольно точных методов расчета аберраций оптических систем в практических целях. До тех пор пока нельзя было с достаточной точностью определить относительную дисперсию стеклянных линз, невозможно было и изготовление хороших ахроматических объективов.

В период после 1820 г. Фраунгофер выпустил большое количество высококачественных оптических инструментов с ахроматической оптикой. Крупнейшим его достижением было изготовление в 1824 г. ахроматического телескопа-рефрактора «Большой Фраунгофер». С 1825 по 1839 гг. на этом инструменте работал В. Я. Струве. За изготовление этого телескопа Фраунгофер был возведен в дворянство.

Ахроматический объектив телескопа Фраунгофера состоял из двояковыпуклой линзы из кронгласа и слабой плосковогнутой линзы из флинтгласа. Первичная хроматическая аберрация исправлялась относительно хорошо, сферическая аберрация была исправлена только для одной зоны. Интересно отметить, что хотя Фраунгофер не знал об «условии синусов», его ахроматический объектив практически не имел аберрации комы.

Изготовлением больших ахроматических телескопов-рефракторов занимались в начале XIX в. также и другие немецкие мастера: К. Утцшнейдер, Г. Мерц, Ф. Малер. В старой обсерватории г. Тарту, в Казанской обсерватории и Главной астрономической обсерватории РАН в Пулково до сих пор хранятся телескопы-рефракторы, выполненные этими мастерами.

В начале XIX в. производство ахроматических зрительных труб было также налажено в России — в Механических заведениях Главного Штаба в Петербурге. Одна из таких труб с восьмигранным тубусом из красного дерева и латунными оправами объектива и окуляра, установленная на треноге (1822 г.), хранится в Музее М. В. Ломоносова в Санкт-Петербурге.

Высоким качеством отличались телескопы, изготовленные Альваном Кларком . По профессии Альван Кларк был художник-портретист. Шлифовкой линз и зеркал занимался как любитель. С 1851 г. он научился перешлифовке старых линз и, проверяя качество их изготовления по звездам, открыл рад двойных звезд — 8 Секстанта, 96 Кита и др.

Получив подтверждение высокого качества обработки линз, он вместе с сыновьями — Джорджем и Грейамом организовал сначала небольшую мастерскую, а затем хорошо оборудованное предприятие в Кембридже, специализировавшееся на изготовлении и испытании объективов телескопов. Последнее осуществлялось в тоннеле длиной 70 м по искусственной звезде. Вскоре возникла крупнейшая в западном полушарии фирма «Альван Кларк и сыновья».

В 1862 г. фирмой Кларка был построен 18-дюймовый рефрактор, который был установлен на Дирбонской обсерватории (штат Миссисипи). Ахроматический объектив этого телескопа диаметром 47 см был изготовлен из кроновых и флинтовых дисков, полученных Кларком от фирмы «Ченс и братья». Фирма Кларка имела самое лучшее по тому времени оборудование для шлифовки линз.

В 1873 г. в Вашингтоне начал действовать 26-дюймовый ахроматический рефрактор Альвана Кларка. С его помощью Асаф Холл в 1877 г. открыл два спутника Марса — Фобос и Деймос.

Стоит отметить, что уже в то время, мощные телескопы практически приблизились к пределу возможностей традиционных оптических систем. Время революций прошло, и постепенно традиционная техника наблюдения за звездами достигла максимума своих возможностей. Впрочем, до изобретения радиотелескопов в середине 20-го века, другой возможности наблюдать межзвездное пространство, у астроном все равно не было.

Трудно сказать, кто первый изобрел телескоп. Известно, что еще древние употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас и легенда о том, что якобы Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в подзорную трубу туманную британскую землю. Роджер Бэкон, один из наиболее замечательных ученых и мыслителей XIII века, в одном из своих трактатов утверждал, что он изобрел такую комбинацию линз, с помощью которой отдаленные предметы при рассматривании их кажутся близкими.

Так ли это было в действительности - неизвестно. Бесспорно, однако, что в самом начале XVII века в Голландии почти одновременно об изобретении подзорной трубы заявили три оптика - Липперсгей, Мециус и Янсен. Рассказывают, что будто бы дети одного из оптиков, играя с линзами, случайно расположили две из них так, что далекая колокольня вдруг показалась близкой. Как бы там ни было, к концу 1608 года первые подзорные трубы были изготовлены и слухи об этих новых оптических инструментах быстро распространились по Европе.

В Падуе в это время уже пользовался широкой известностью Галилео Галилей, профессор местного университета, красноречивый оратор и страстный сторонник учения Коперника. Услышав о новом оптическом инструменте, Галилей решил собственноручно построить подзорную трубу. Сам он рассказывает об этом так:

«Месяцев десять тому назад стало известно, что некий фламандец построил перспективу, при помощи которой видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они находятся вблизи. Это и было причиной, по которой я обратился к изысканию оснований и средств для изобретения сходного инструмента. Вскоре после этого, опираясь на учение о преломлении, я постиг суть дела и сначала изготовил свинцовую трубу, на концах которой я поместил два оптических стекла, оба плоских с одной стороны, с другой стороны одно стекло выпукло-сферическое, другое вогнутое».

Этот первенец телескопической техники давал увеличение всего в три раза. Позже Галилею удалось построить более совершенный инструмент, увеличивающий в 30 раз. И тогда, как пишет Галилей, «оставив дела земные, я обратился к небесным».

7 января 1610 года навсегда останется памятной датой в истории человечества. Вечером этого дня Галилей впервые направил построенный им телескоп на небо. Он увидел то, что предвидеть заранее было невозможно. Луна, испещренная горами и долинами, оказалась миром, сходным хотя бы по рельефу с Землей. Планета Юпитер предстала перед глазами изумленного Галилея крошечным диском, вокруг которого обращались четыре необычные звездочки - его спутники. Картина эта в миниатюре напоминала Солнечную систему по представлениям Коперника. При наблюдениях в телескоп планета Венера оказалась похожей на маленькую Луну. Она меняла свои фазы, что свидетельствовало о ее обращении вокруг Солнца. На самом Солнце (закрыв глаза темным стеклом) Галилей увидел черные пятна, опровергнув тем самым общепринятое учение Аристотеля о «неприкосновенной чистоте небес». Эти пятна смещались по отношению к краю Солнца, из чего Галилей сделал правильный вывод о вращении Солнца вокруг оси.

В темные прозрачные ночи в поле зрения галилеевского телескопа было видно множество звезд, недоступных невооруженному глазу. Некоторые туманные пятна на ночном небе оказались скопищами слабо светящихся звезд. Великим собранием скученно расположенных звездочек оказался и Млечный Путь - беловатая, слабо светящаяся полоса, опоясывающая все небо.

Несовершенство первого телескопа помешало Галилею рассмотреть кольцо Сатурна. Вместо кольца он увидел по обе стороны Сатурна два каких-то странных придатка и в своем «Звездном вестнике» - дневнике наблюдений - Галилей был вынужден записать, что «высочайшую планету» (то есть Сатурн) он «тройною наблюдал».

Открытия Галилея положили начало телескопической астрономии . Но его телескопы (рис. 11), утвердившие окончательно новое коперниканское мировоззрение, были очень несовершенны. Уже при жизни Галилея им на смену пришли телескопы несколько иного типа. Изобретателем нового инструмента был уже знакомый нам Иоганн Кеплер. В 1611 году в трактате «Диоптрика» Кеплер дал описание телескопа, состоящего из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер, будучи типичным астрономом-теоретиком, ограничился лишь описанием схемы нового телескопа, а первым, кто построил такой телескоп и употребил его для астрономических целей, был иезуит Шейнер, оппонент Галилея в их горячих спорах о природе солнечных пятен.

Рассмотрим оптические схемы и принцип действия галилеевского и кеплеровского телескопов . Линза А , обращенная к объекту наблюдения, называется объективом , а та линза В , к которой прикладывает свой глаз наблюдатель - окуляром . Если линза толще посередине, чем на краях, она называется собирательной или положительной, в противном случае - рассеивающей или отрицательной. Заметим, что в телескопе самого Галилея объективом служила плосковыпуклая линза, а окуляром - плоско-вогнутая. По существу, галилеевский телескоп был прообразом современного театрального бинокля, в котором используются двояковыпуклые и двояковогнутые линзы. В телескопе Кеплера и объектив и окуляр были положительными двояковыпуклыми линзами.

Представим себе простейшую двояковыпуклую линзу, сферические поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется оптической осью линзы. Если на такую линзу падают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до ее фокуса называют фокусным расстоянием. Нетрудно сообразить, что чем больше кривизна поверхностей собирательной линзы, тем меньше ее фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается действительное изображение предмета.

Иначе ведут себя рассеивающие, отрицательные линзы. Падающий на них параллельно оптической оси пучок света они рассеивают и в фокусе такой линзы сходятся не сами лучи, а их продолжения. Потому рассеивающие линзы имеют, как говорят, мнимый фокус и дают мнимое изображение.

На рис. 12 показан ход лучей в галилеевском телескопе. Так как небесные светила, практически говоря, находятся «в бесконечности», то изображения их получаются в фокальной плоскости , то есть в плоскости, проходящей через фокус F и перпендикулярной к оптической оси. Между фокусом и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое, прямое и увеличенное изображение MN .

Главным недостатком галилеевского телескопа было очень малое поле зрения - так называют угловой поперечник кружка неба, видимого в телескоп. Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его Галилею было очень трудно. По той же причине галилеевские телескопы после смерти их изобретателя в астрономии не употреблялись и их реликтом можно считать современные театральные бинокли.

В кеплеровском телескопе (см. рис. 12) изображение CD получается действительное, увеличенное и перевернутое . Последнее обстоятельство, неудобное при наблюдениях земных предметов, в астрономии несущественно - ведь в космосе нет какого-то абсолютного верха или низа, а потому небесные тела не могут быть повернутыми телескопом «вверх ногами».

Первое из двух главных преимуществ телескопа - это увеличение угла зрения, под которым мы видим небесные объекты. Как уже говорилось, человеческий глаз способен в отдельности различать две части предмета, если угловое расстояние между ними не меньше одной минуты дуги. Поэтому, например, на Луне невооруженный глаз различает лишь крупные детали, поперечник которых превышает 100 км . В благоприятных условиях, когда Солнце затянуто облачной дымкой, на его поверхности удается рассмотреть самые крупные из солнечных пятен. Никаких других подробностей невооруженный глаз на небесных телах не видит. Телескопы же увеличивают угол зрения в десятки и сотни раз.

Второе преимущество телескопа по сравнению с глазом заключается в том, что телескоп собирает гораздо больше света, чем зрачок человеческого глаза, имеющий даже в полной темноте диаметр не больше 8 мм . Очевидно, что количество света, собираемого телескопом, во столько раз больше того количества, которое собирает глаз, во сколько площадь объектива больше площади зрачка. Иначе говоря, это отношение равно отношению квадратов диаметров объектива и зрачка.

Собранный телескопом свет выходит из его окуляра концентрированным световым пучком. Наименьшее его сечение называется выходным зрачком . В сущности, выходной зрачок - это изображение объектива, создаваемое окуляром. Можно доказать, что увеличение телескопа (то есть увеличение угла зрения по сравнению с невооруженным глазом) равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, увеличивая фокусное расстояние объектива и уменьшая фокусное расстояние окуляра, можно достичь любых увеличений. Теоретически это так, но практически все выглядит иначе. Во-первых, чем больше употребляемое в телескопе увеличение, тем меньше его поле зрения. Во-вторых, с ростом увеличения становятся все заметнее движения воздуха. Неоднородные воздушные струи размазывают, портят изображение и иногда то, что видно при малых увеличениях, пропадает для больших. Наконец, чем больше увеличение, тем бледнее, тусклее изображение небесного светила (например, Луны). Иначе говоря, с ростом увеличения хотя и видно больше подробностей на Луне, Солнце и планетах, но зато уменьшается поверхностная яркость их изображений. Есть и другие препятствия, мешающие применять очень большие увеличения (например, в тысячи и в десятки тысяч раз). Приходится искать некоторый оптимум и потому даже в современных телескопах, как правило, наибольшие увеличения не превосходят нескольких сотен раз.

При создании телескопов со времен Галилея придерживаются следующего правила: выходной зрачок телескопа не должен быть больше выходного зрачка наблюдателя. Легко сообразить, что в противном случае часть света, собранного объективом, будет напрасно потеряна. Очень важной величиной, характеризующей объектив телескопа, является его относительное отверстие , то есть отношение диаметра объектива телескопа к его фокусному расстоянию. Светосилой объектива называется квадрат относительного отверстия телескопа. Чем «светосильнее» телескоп, то есть чем больше светосила его объектива, тем более яркие изображения объектов он дает. Количество же света, собираемого телескопом, зависит лишь от диаметра его объектива (но не от светосилы!). Из-за явления, именуемого в оптике дифракцией, при наблюдениях в телескопы яркие звезды кажутся небольшими дисками, окруженными несколькими концентрическими радужными кольцами. Разумеется, к настоящим дискам звезд дифракционные диски никакого отношения не имеют.

В заключение сообщим читателю основные технические данные о первых галилеевских телескопах. Меньший из них имел диаметр объектива 4 см при фокусном расстоянии 50 см (его относительное отверстие было равно 4/50 = 0,08). Он увеличивал угол зрения всего в три раза. Второй, более совершенный телескоп, с помощью которого Галилей совершил свои великие открытия, имел объектив диаметром 4,5 см при фокусном расстоянии 125 см и давал увеличение в 34 раза. При наблюдениях в этот телескоп Галилеи различал звезды до 8-й звездной величины, то есть в 6,25 раз более слабые, чем те, которые еле видит на ночном небе невооруженный глаз.

Таково было скромное начало развернувшегося позже «чемпионата» телескопов - длительной борьбы за усовершенствование этих главных астрономических инструментов.

Примечания

Цитирую по книге Б.Г. Кузнецова «Галилей», «Наука», 1964, стр. 71.

Название «телескоп» было присвоено новому инструменту по решению итальянской Академии наук.

Зеркальным телескопам - рефлекторам посвящен особый раздел.

У галилеевской трубы выходного зрачка нет.