На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии - Нил Деграсс Тайсон

Кривизна линзы определяет угол, под каким световые лучи будут изгибаться при прохождении через нее, и, следовательно, расстояние, на котором они сойдутся в фокус или разойдутся. Если поверхность линзы выпирает наружу, как пивное брюшко, линза называется выпуклой, и она собирает лучи в фокус. Если поверхность вдавлена внутрь, как подставленная чашечкой ладонь, линза вогнутая и будет рассеивать лучи в разные стороны. Если одна сторона линзы плоская, а другая искривленная, линза называется плосковыпуклой или плосковогнутой, а если искривлены обе стороны, она двояковыпуклая или двояковогнутая.

Цветовая проблема в линзовой оптике связана с очень простой особенностью клиновидного стекла. Треугольная призма изначально устроена так, что она расщепляет белый свет на составляющие его цвета, так что лучи каждого цвета выходят с другой стороны призмы под немного другим углом по отношению ко всем остальным. Двояковыпуклая линза – главный элемент телескопа – не слишком отличается от двух призм, склеенных друг с другом основаниями. Хоть она и не производит столь ярко выраженного цветового эффекта, как настоящие призмы, все же она фокусирует лучи разных цветов на немного различных расстояниях внутри трубы телескопа, что создает нежелательные цветовые искажения – хроматические аберрации, исправить которые можно, только вводя в систему коррекционные линзы. Чем толще двояковыпуклая линза, тем короче может быть сделана труба телескопа, но и тем более заметными становятся эти цветовые искажения. У отражательных телескопов такой проблемы не возникает, так как лучи всех цветов отражаются от зеркала под одним и тем же углом.

Проблема цветов начала решаться в 1758 году, когда произошли два события. Во-первых, один бывший лондонский ткач и торговец шелком, увлекающийся математикой, по имени Джон Доллонд, опубликовал в Philosophical Transactions отчет о своих опытах с линзовыми «сэндвичами», сложенными из двух различных сортов стекла, крона и флинта, которые проявляли несколько различные преломляющие свойства. Вторым событием было то, что Джон Доллонд подал заявку на британский патент на свой «сэндвич», назвав его ахроматическим объективом, «поскольку в нем ошибки, проистекающие из различной преломляемости света, равно, как и те, что происходят от сферичности поверхности стекла, превосходно исправлены».

По праву этот патент (выданный всего на четырнадцать лет) должен был бы получить адвокат Честер Мур Холл, о котором мы сказали выше. Но Холл не подавал заявки, а Доллонд подал. В течение следующего десятилетия сын Джона Доллонда Питер добавил к объективу третью линзу, устранив остаточные аберрации и создав идеальный «клаб-сэндвич». Никогда больше не придется делать телескоп длиной в пятьдесят футов, чтобы получать четкие и ясно очерченные изображения. Моряки Королевского военного флота скоро начали называть телескоп просто «доллондом»: «доллонды» стали стандартным элементом полевого военного снаряжения. И Джордж Вашингтон, и Наполеон (не говоря о капитане Куке, Фридрихе Великом, длинном списке членов британской королевской фамилии, отце Вольфганга Моцарта и множестве других) пропали бы без фирмы «Дж. Доллонд и сын», или, как она впоследствии стала называться, P&J Dollond Instrument Makers, главного поставщика точной оптики в течение всего XVIII и большей части XIX столетия.

Но доминирование Доллондов и Британии в этой области было не вечным. В 1846 году тридцатилетний оптик-технолог Карл Фридрих Цейсс открыл мастерскую в маленьком немецком городке Иена. Его предприятие вскоре превратилось в господствующую корпоративную империю в области оптического производства. А перед самой Гражданской войной американская компания «Элвин Кларк и сыновья» открыла свой оптический магазин в Массачусетсе. Большинство американских обсерваторий, построенных во второй половине XIX века, когда энтузиазм в области астрономии был на подъеме, обладало одним или более телескопами Кларка великолепной ручной работы, а во время войны компания продала военно-морским силам США почти двести дорогих подзорных труб[209].

Всем изготовителям прецизионной оптики требовалось чистое, прозрачное, высококачественное оптическое стекло в виде плоских блоков-заготовок, которые затем шлифовались и полировались такими мастерами доводки, как Элвин Кларк, который предпочитал на последних стадиях полировки пользоваться не тканью – она могла оказаться недостаточно мягкой, – а голыми пальцами[210].

Стекло, материал, известный по меньшей мере со времен фараонов, изготовляется в основном из расплавленного песка, охлаждаемого в таком режиме, что стадии кристаллизации не наступает. Но оптическое стекло – совсем не то, из которого сделаны бутылки или бусы, и ни одна стеклодувная мастерская Древнего Египта его изготовить бы не смогла. И даже спустя столетия производители оконного стекла тоже не могли справиться с этой задачей, хоть некоторые и пытались. Как писал американский астрофизик Эбер Д. Кертис в конце Первой мировой войны, это «субстанция, которая отличается от обычного стекла почти так же сильно, как алмаз отличается от графита». (Годом позже Кертис проиграет знаменитый и широко освещавшийся в прессе спор о том, составляет ли Млечный Путь всю Вселенную, или туманные спиральные объекты, усеивающие ночное небо, являются другими галактиками, а размеры реальной Вселенной намного больше, чем до этого представлялось.)

Для изготовления качественного оптического стекла требуется большое количество горючего и хорошо управляемые специальные печи. Нужны тугоплавкие плавильные тигли, вещество которых не перемешается с огненным жидким стеклом, понизив тем самым его качество. Расплавленная масса в тигле должна быть хорошо перемешана. При выливании в форму поток должен быть таким, чтобы в нем не образовывались неоднородности. В процессе охлаждения необходимо принять меры против образования пузырьков, прожилок, внутренних напряжений и туманных пятен. Если ставится цель изменять параметры преломления в различных частях спектра, масса стекла может быть обогащена различными добавками: свинцом, барием, бором, натрием, серебром, ураном, ртутью, мышьяком. Главное: оптическое стекло должно быть максимально прозрачным и однородным[211].

До самой середины XIX века крупные заготовки высококачественного оптического стекла считались большой редкостью и производители оптических инструментов платили за них огромные деньги [212]. Доллонд предложил проект объектива, который при условии его реализации обещал появление великолепного астрономического телескопа. Но обещать – не значит сделать. Проект – это всего лишь рецепт. Если у вас нет авокадо, вы не сможете приготовить гуакамоле.

На протяжении десятилетий потребности большей части Европы в оптическом стекле удовлетворяли всего две компании – братья Ченс в Бирмингеме, в Англии, и Parra Mantois et Cie. в Париже. В начале 1880-х годов центр изготовления стекла переместился в Иену, где Карл Цейсс и еще двое университетских ученых основали легендарное совместное промышленное предприятие. Старшим из этих ученых был физик Эрнст Аббе, который внес большой вклад в математические основания оптики – он, например, установил, что разрешение телескопа или микроскопа ограничено размером инструмента и длиной волны собираемого им света. До этого он уже сотрудничал с Цейссом в производстве усовершенствованных микроскопов. Младшим из ученых был молодой доктор-химик Отто Шотт, написавший диссертацию об изготовлении стекла. Метод