Teleskop Galileya16.12.2009 21:55 | V. G. Surdin, N. L. Vasil'eva
V eti dni my otmechaem 400-letie sozdaniya opticheskogo teleskopa – samogo prostogo i samogo effektivnogo nauchnogo pribora, raspahnuvshego pered chelovechestvom dver' vo Vselennuyu. Chest' sozdaniya pervyh teleskopov po pravu prinadlezhit Galileyu.
Kak izvestno, Galileo Galilei zanyalsya eksperimentami s linzami v seredine 1609 g., posle togo kak uznal, chto v Gollandii dlya potrebnostei moreplavaniya byla izobretena zritel'naya truba. Ee izgotovili v 1608 godu, vozmozhno, nezavisimo drug ot druga gollandskie optiki Gans Lippersgei, Yakov Mecius i Zahariya Yansen. Vsego za polgoda Galileyu udalos' sushestvenno usovershenstvovat' eto izobretenie, sozdat' na ego principe moshnyi astronomicheskii instrument i sdelat' ryad izumitel'nyh otkrytii.
 Ris. 1. Teleskop Galileya – odin iz velichaishih nauchnyh instrumentov vseh vremen. Segodnya kazhdyi iz nas mozhet za vecher sdelat' takoi zhe opticheskii instrument i, vzglyanuv na nebo, oshutit' sebya Galileem. |
Uspeh Galileya v sovershenstvovanii teleskopa nel'zya schitat' sluchainym. Ital'yanskie mastera stekla uzhe osnovatel'no proslavilis' k tomu vremeni: eshe v XIII v. oni izobreli ochki. I imenno v Italii byla na vysote teoreticheskaya optika. Trudami Leonardo da Vinchi ona iz razdela geometrii prevratilas' v prakticheskuyu nauku. «Sdelai ochkovye stekla dlya glaz, chtoby videt' Lunu bol'shoi», – pisal on v konce XV v. Vozmozhno, hotya i net etomu pryamyh podtverzhdenii, Leonardo udalos' osushestvit' teleskopicheskuyu sistemu.
Original'nye issledovaniya po optike provel v seredine XVI v. ital'yanec Franchesko Mavrolik (1494–1575). Ego sootechestvennik Dzhovanni Batista de la Porta (1535–1615) posvyatil optike dva velikolepnyh proizvedeniya: «Natural'naya magiya» i «O prelomlenii». V poslednem on dazhe privodit opticheskuyu shemu teleskopa i utverzhdaet, chto emu udavalos' videt' na bol'shom rasstoyanii melkie predmety. V 1609 g. on pytaetsya otstaivat' prioritet v izobretenii zritel'noi truby, no fakticheskih podtverzhdenii etomu okazalos' nedostatochno. Kak by to ni bylo, raboty Galileya v etoi oblasti nachalis' na horosho podgotovlennoi pochve. No, otdavaya dolzhnoe predshestvennikam Galileya, budem pomnit', chto imenno on sdelal iz zabavnoi igrushki rabotosposobnyi astronomicheskii instrument.
Svoi opyty Galilei nachal s prostoi kombinacii polozhitel'noi linzy, v kachestve ob'ektiva, i otricatel'noi linzy, v kachestve okulyara, dayushei trehkratnoe uvelichenie. Seichas takaya konstrukciya nazyvaetsya teatral'nym binoklem. Eto samyi massovyi opticheskii pribor posle ochkov. Razumeetsya, v sovremennyh teatral'nyh binoklyah v kachestve ob'ektiva i okulyara primenyayutsya vysokokachestvennye prosvetlennye linzy, inogda dazhe slozhnye, sostavlennye iz neskol'kih stekol. Oni dayut shirokoe pole zreniya i otlichnoe izobrazhenie. Galilei zhe ispol'zoval prostye linzy kak dlya ob'ektiva, tak i dlya okulyara. Ego teleskopy stradali sil'neishimi hromaticheskoi i sfericheskoi aberraciyami, t.e. davali razmytoe na krayah i ne sfokusirovannoe v razlichnyh cvetah izobrazhenie.
 Ris. 2. Ochki poyavilis' za neskol'ko stoletii do teleskopa. |
 Ris. 3. Vskore posle prostyh ochkov poyavilsya skladnoi lornet, u kotorogo linzy pri skladyvanii sovmeshalis' i opticheskaya sila udvaivalas' - ochki stanovilis' sil'nym monoklem. V principe, slozhenie dvuh linz – eto ideya teleskopa; no do slozheniya dvuh RAZNYH linz proshli veka... |
Odnako Galilei ne ostanovilsya, podobno gollandskim masteram, na «teatral'nom binokle», a prodolzhil eksperimenty s linzami i k yanvaryu 1610 g. sozdal neskol'ko instrumentov s uvelicheniem ot 20 do 33 raz. Imenno s ih pomosh'yu on sovershil svoi zamechatel'nye otkrytiya: obnaruzhil sputniki Yupitera, gory i kratery na Lune, miriady zvezd v Mlechnom Puti, i t. d. Uzhe v seredine marta 1610 g. v Venecii na latinskom yazyke tirazhom 550 ekzemplyarov vyshel trud Galileya «Zvezdnyi vestnik», gde byli opisany eti pervye otkrytiya teleskopicheskoi astronomii. V sentyabre 1610 g. uchenyi otkryvaet fazy Venery, a v noyabre obnaruzhivaet priznaki kol'ca u Saturna, hotya i ne dogadyvaetsya ob istinnom smysle svoego otkrytiya («Vysochaishuyu planetu troinoyu nablyudal», – pishet on v anagramme, pytayas' zakrepit' za soboi prioritet otkrytiya). Pozhalui, ni odin teleskop posleduyushih stoletii ne dal takogo vklada v nauku, kak pervyi teleskop Galileya.
Odnako te lyubiteli astronomii, kto pytalsya sobirat' teleskopy iz ochkovyh stekol, neredko udivlyayutsya malym vozmozhnostyam svoih konstrukcii, yavno ustupayushih po «nablyudatel'nym vozmozhnostyam» kustarnomu teleskopu Galileya. Neredko sovremennye «Galilei» ne mogut obnaruzhit' dazhe sputniki Yupitera, ne govorya uzhe o fazah Venery.
 Ris. 4. Galilei i ego teleskopy, hranyashiesya v Muzee istorii nauki (Florenciya). |
Vo Florencii, v Muzee istorii nauki (ryadom so znamenitoi kartinnoi galereei Uffici) hranyatsya dva teleskopa iz chisla pervyh, postroennyh Galileem. Tam zhe nahoditsya i razbityi ob'ektiv tret'ego teleskopa. Eta linza ispol'zovalas' Galileem dlya mnogih nablyudenii v 1609–1610 gg. i byla podarena im Velikomu gercogu Ferdinandu II. Pozzhe linza byla sluchaino razbita. Posle smerti Galileya (1642 g.) eta linza hranilas' u princa Leopol'da Medichi, a posle ego smerti (1675 g.) byla prisoedinena k kollekcii Medichi v galeree Uffici. V 1793 g. kollekciya peredali Muzeyu istorii nauki.
 Ris. 5. Dekorativnaya ramka s ob'ektivom teleskopa Galileya. |
Ochen' interesna dekorativnaya figurnaya ramka iz slonovoi kosti, izgotovlennaya dlya galileevskoi linzy graverom Vittorio Krostenom. Bogatyi i prichudlivyi rastitel'nyi ornament peremezhaetsya s izobrazheniyami nauchnyh instrumentov; v uzor organichno vklyucheny neskol'ko latinskih nadpisei. Vverhu ranee nahodilas' lenta, nyne utrachennaya, s nadpis'yu «MEDICEA SIDERA» («Zvezdy Medichi»). Central'nuyu chast' kompozicii venchaet izobrazhenie Yupitera s orbitami 4 ego sputnikov, okruzhennoe tekstom «CLARA DEUM SOBOLES MAGNUM IOVIS INCREMENTUM» («Slavnoe [molodoe] pokolenie bogov, velikoe potomstvo Yupitera»). Sleva i sprava – allegoricheskie liki Solnca i Luny. Nadpis' na lente, opletayushei venok vokrug linzy, glasit: «HIC ET PRIMUS RETEXIT MACULAS PHEBI ET IOVIS ASTRA» («On pervym otkryl i pyatna Feba (t.e. Solnca), i zvezdy Yupitera»). Na kartushe vnizu tekst: «COELUM LINCEAE GALILEI MENTI APERTUM VITREA PRIMA HAC MOLE NON DUM VISA OSTENDIT SYDERA MEDICEA IURE AB INVENTORE DICTA SAPIENS NEMPE DOMINATUR ET ASTRIS» («Nebo, otkrytoe zorkomu razumu Galileya, blagodarya etoi pervoi steklyannoi veshi pokazalo zvezdy, do sih por nevidimye, po pravu nazvannye ih pervootkryvatelem Mediceiskimi. Ved' mudrec vlastvuet i nad zvezdami»).
Informaciya ob eksponate soderzhitsya na saite Muzeya istorii nauki: ssylka №100101; ssylka №404001.
V nachale HH veka hranyashiesya vo florentiiskom muzee teleskopy Galileya byli izucheny (sm. tabl.). S nimi byli dazhe provedeny astronomicheskie nablyudeniya.
Opticheskie harakteristiki pervyh ob'ektivov i okulyarov teleskopov Galileya (razmery v mm)
| Polnyi diametr | Diametr apertury | Fokusnoe rasstoyanie | |
| Ob'ektiv I | 51 | 26 | 1330 |
| Ob'ektiv II | 37 | 16 | 980 |
| Ob'ektiv III | 58 | 38 | 1710 |
| Okulyar I | 26 | 11 | -94 |
| Okulyar II | 22 | 16 | -47,6 |
Okazalos', chto pervaya truba imela razreshayushuyu sposobnost' 20" i pole zreniya 15'. A vtoraya, sootvetstvenno, 10" i 15'. Uvelichenie pervoi truby bylo 14-kratnym, a vtoroi 20-kratnym. Razbityi ob'ektiv tret'ei truby s okulyarami ot pervyh dvuh trub daval by uvelichenie v 18 i 35 raz. Itak, mog li Galilei sdelat' svoi izumitel'nye otkrytiya, ispol'zuya stol' nesovershennye instrumenty?
Istoricheskii eksperiment
Imenno takim voprosom zadalsya anglichanin Stiven Ringvud i, chtoby vyyasnit' otvet, sozdal tochnuyu kopiyu luchshego teleskopa Galileya (Ringwood S. D. A Galilean telescope // The Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 1994, vol. 35, 1, p. 43–50). V oktyabre 1992 goda Stiv Ringvud vossozdal konstrukciyu tret'ego teleskopa Galileya i v techenie goda provodil s nim vsevozmozhnye nablyudeniya. Ob'ektiv ego teleskopa imel diametr 58 mm i fokusnoe rasstoyanie 1650 mm. Kak i Galilei, Ringvud diafragmiroval svoi ob'ektiv do diametra apertury D = 38 mm, chtoby poluchit' luchshee kachestvo izobrazheniya pri sravnitel'no nebol'shoi potere pronicayushei sposobnosti. Okulyarom sluzhila otricatel'naya linza s fokusnym rasstoyaniem –50 mm, dayushaya uvelichenie v 33 raza. Poskol'ku v takoi konstrukcii teleskopa okulyar razmeshaetsya pered fokal'noi ploskost'yu ob'ektiva, polnaya dlina truby sostavila 1440 mm.
 Ris. 6. Ceissovskii teatral'nyi binokl', oformlennyi v vide ochkov, – pryamoi potomok teleskopa Galileya. |
Samym bol'shim nedostatkom teleskopa Galileya Ringvud schitaet ego maloe pole zreniya – vsego 10', ili tret'ya chast' lunnogo diska. Prichem na krayu polya zreniya kachestvo izobrazheniya ochen' nizkoe. Pri ispol'zovanii prostogo kriteriya Releya, opisyvayushego difrakcionnyi predel razreshayushei sposobnosti ob'ektiva, mozhno bylo by ozhidat' kachestva izobrazheniya v 3,5–4,0". Odnako hromaticheskaya aberraciya snizila ego do 10–20". Pronicayushaya sila teleskopa, ocenennaya po prostoi formule (2 + 5lg D), ozhidalas' okolo +9,9m. Odnako v deistvitel'nost' ne udalos' obnaruzhit' zvezd slabee +8m.
Pri nablyudenii Luny teleskop pokazal sebya neploho. V nego udalos' razglyadet' dazhe bol'she detalei, chem bylo zarisovano Galileem na ego pervyh lunnyh kartah. «Vozmozhno, Galilei byl nevazhnyi risoval'shik, ili ego ne ochen' interesovali detali lunnoi poverhnosti?» – udivlyaetsya Ringvud. A mozhet byt', opyt izgotovleniya teleskopov i nablyudeniya s nimi byl u Galileya eshe nedostatochno velik? Nam kazhetsya, chto prichina imenno v etom. Kachestvo stekol, otpolirovannyh sobstvennymi rukami Galileya, ne moglo sopernichat' s sovremennymi linzami. Nu i, konechno, Galilei ne srazu nauchilsya smotret' v teleskop: vizual'nye nablyudeniya trebuyut nemalogo opyta.
Kstati, a pochemu sozdateli pervyh zritel'nyh trub – gollandcy – ne sovershili astronomicheskih otkrytii? Predprinyav nablyudeniya s teatral'nym binoklem (uvelichenie 2,5–3,5 raza) i s polevym binoklem (uvelichenie 7–8 raz), vy zametite, chto mezhdu ih vozmozhnostyami prolegaet propast'. Sovremennyi vysokokachestvennyi 3-kratnyi binokl' pozvolyaet (pri nablyudenii odnim glazom!) s trudom zametit' krupneishie lunnye kratery; ochevidno, chto gollandskaya truba s takim zhe uvelicheniem, no bolee nizkim kachestvom, ne mogla i etogo. Polevoi binokl', dayushii priblizitel'no te zhe vozmozhnosti, chto i pervye truby Galileya, pokazyvaet nam Lunu vo vsei krase, so mnozhestvom kraterov. Usovershenstvovav gollandskuyu trubu, dobivshis' v neskol'ko raz bolee vysokogo uvelicheniya, Galilei pereshagnul cherez «porog otkrytii». S teh por v eksperimental'noi nauke etot princip ne podvodit: esli vam udastsya uluchshit' vedushii parametr pribora v neskol'ko raz, vy obyazatel'no sdelaete otkrytie.
Bezuslovno, samym zamechatel'nym otkrytiem Galileya yavilos' obnaruzhenie chetyreh sputnikov Yupitera i diska samoi planety. Vopreki ozhidaniyam, nizkoe kachestvo teleskopa ne sil'no pomeshalo nablyudeniyam sistemy yupiterovyh sputnikov. Ringvud yasno videl vse chetyre sputnika i smog, kak i Galilei, kazhduyu noch' otmechat' ih peremeshenie otnositel'no planety. Pravda, ne vsegda udavalos' odnovremenno horosho sfokusirovat' izobrazhenie planety i sputnika: ochen' meshala hromaticheskaya aberraciya ob'ektiva.
A vot chto kasaetsya samogo Yupitera, to Ringvud, kak i Galilei, ne smog obnaruzhit' nikakih detalei na diske planety. Slabokontrastnye shirotnye polosy, peresekayushie Yupiter vdol' ekvatora, okazalis' polnost'yu zamyty v rezul'tate aberracii.
Ochen' interesnyi rezul'tat poluchil Ringvud pri nablyudenii Saturna. Kak i Galilei, pri uvelichenii v 33 raza on uvidel lish' slabye vzdutiya («zagadochnye pridatki», kak pisal Galilei) po bokam planety, kotorye velikii ital'yanec, konechno zhe, ne mog interpretirovat' kak kol'co. Odnako dal'neishie eksperimenty Ringvuda pokazali, chto pri ispol'zovanii drugih okulyarov s bol'shim uvelicheniem, vse zhe mozhno razlichit' bolee yasnye priznaki kol'ca. Sdelai eto v svoe vremya Galilei – i otkrytie kolec Saturna sostoyalos' by pochti na polstoletiya ran'she i ne prinadlezhalo by Gyuigensu (1656 g.).
Vprochem, nablyudeniya Venery dokazali, chto Galilei bystro stal iskusnym astronomom. Okazalos', chto v naibol'shei elongacii fazy Venery ne vidny, ibo slishkom mal ee uglovoi razmer. I tol'ko kogda Venera priblizilas' k Zemle i v faze 0,25 ee uglovoi diametr dostig 45", stala zametna ee serpoobraznaya forma. V eto vremya ee uglovoe udalenie ot Solnca uzhe bylo ne tak veliko, i nablyudeniya zatrudneny.
Samym zhe lyubopytnym v istoricheskih izyskaniyah Ringvuda, pozhalui, yavilos' razoblachenie odnogo starogo zabluzhdeniya po povodu nablyudenii Galileem Solnca. Do sih por schitalos' obsheprinyatym, chto v teleskop sistemy Galileya nevozmozhno nablyudat' Solnce, sproecirovav ego izobrazhenie na ekran, ibo otricatel'naya linza okulyara ne mozhet postroit' deistvitel'nogo izobrazheniya ob'ekta. Tol'ko izobretennyi nemnogo pozzhe teleskop sistemy Keplera iz dvuh polozhitel'nyh linz dal takuyu vozmozhnost'. Schitalos', chto vpervye nablyudal Solnce na ekrane, pomeshennom za okulyarom, nemeckii astronom Kristof Sheiner (1575–1650). On odnovremenno i nezavisimo ot Keplera sozdal v 1613 g. teleskop analogichnoi konstrukcii. A kak nablyudal Solnce Galilei? Ved' imenno on otkryl solnechnye pyatna. Dolgoe vremya sushestvovalo ubezhdenie, chto Galilei nablyudal dnevnoe svetilo glazom v okulyar, pol'zuyas' oblakami kak svetofil'trami ili podkaraulivaya Solnce v tumane nizko nad gorizontom. Schitalos', chto poterya Galileem zreniya v starosti chastichno byla sprovocirovana imenno ego nablyudeniyami Solnca.
Odnako Ringvud obnaruzhil, chto i teleskop Galileya mozhet davat' vpolne prilichnuyu proekciyu solnechnogo izobrazheniya na ekran, prichem solnechnye pyatna vidny ochen' otchetlivo. Pozzhe, v odnom iz pisem Galileya, Ringvud obnaruzhil podrobnoe opisanie nablyudenii Solnca putem proekcii ego izobrazheniya na ekran. Stranno, chto etogo obstoyatel'stva ne otmechali ran'she.
Dumayu, chto kazhdyi lyubitel' astronomii ne otkazhet sebe v udovol'stvii na neskol'ko vecherov «stat' Galileem». Dlya etogo nuzhno vsego lish' sdelat' Galileev teleskop i popytat'sya povtorit' otkrytiya velikogo ital'yanca. V detstve odin iz avtorov etoi zametki delal iz ochkovyh stekol keplerovy truby. A uzhe v zrelom vozraste ne uderzhalsya i soorudil instrument, pohozhii na teleskopa Galileya. V kachestve ob'ektiva byla ispol'zovana nasadochnaya linza diametrom 43 mm siloi v +2 dioptrii, a okulyar s fokusnym rasstoyaniem okolo –45 mm byl vzyat ot starinnogo teatral'nogo binoklya. Teleskop poluchilsya ne ochen' moshnyi, s uvelicheniem vsego v 11 raz, no i u nego pole zreniya okazalos' malen'koe, dimetrom okolo 50', a kachestvo izobrazheniya nerovnoe, znachitel'no uhudshayusheesya k krayu. Odnako izobrazheniya stali znachitel'no luchshe pri diafragmirovanii ob'ektiva do diametra 22 mm, i eshe luchshe – do 11 mm. Yarkost' izobrazhenii, razumeetsya, ponizilas', no nablyudeniya Luny ot etogo dazhe vyigrali.
Kak i ozhidalos', pri nablyudenii Solnca v proekcii na belyi ekran etot teleskop deistvitel'no daval izobrazhenie solnechnogo diska. Otricatel'nyi okulyar uvelichil ekvivalentnoe fokusnoe rasstoyanie ob'ektiva v neskol'ko raz (princip teleob'ektiva). Poskol'ku ne sohranilos' svedenii o tom, na kakom shtative Galilei ustanavlival svoi teleskop, avtor nablyudal, uderzhivaya trubu v rukah, a v kachestve opory dlya ruk ispol'zoval stvol dereva, zabor ili ramu otkrytogo okna. Pri 11-kratnom uvelichenii etogo bylo dostatochno, no pri 30-kratnom, ochevidno, u Galileya mogli byt' problemy.
Mozhno schitat', chto istoricheskii eksperiment po vossozdaniyu pervogo teleskopa udalsya. Teper' my znaem, chto teleskop Galileya byl dovol'no neudobnym i skvernym priborom s tochki zreniya sovremennoi astronomii. Po vsem harakteristikam on ustupal dazhe nyneshnim lyubi