Алиса Шпигель - История зеркал. От отражения в воде до космической оптики

В наше время вогнутые зеркала чаще используются для освещения. В карманном электрическом фонарике стоит крошечная лампочка всего в несколько свечей. Если бы она посылала свои лучи во все стороны, то от такого фонарика было бы мало пользы: его свет не проникал бы дальше одного-двух метров. Но за лампочкой поставлено маленькое вогнутое зеркальце. Поэтому луч света от карманного фонаря прорезывает темноту на десять метров вперед. Однако в фонаре имеется еще и маленькая линза – перед лампочкой. Зеркальце и линза помогают друг другу создавать направленный луч света.

Так же устроены и автомобильные фары и прожекторы, рефлектор синей медицинской лампы, корабельный фонарь на верхушке мачты и фонарь маяка. В прожекторе светит мощная дуговая лампа. Но если бы вынули из прожектора вогнутое зеркало, то свет лампы бесцельно разошелся бы во все стороны, она светила бы не на семьдесят километров, а всего на один-два.

Особенно сложно устроен фонарь маяка. В древности самым мощным маяком был Александрийский маяк – последнее из чудес света, связанное с именем Александра Македонского.

Согласно легенде, на Александрийском маяке находилось огромное зеркало, при помощи которого можно было видеть корабли, отплывавшие из Греции. Маяк находился в городе Александрия, основанном в 332 году до новой эры в дельте Нила. На подходе к городу на острове Фарос было решено построить маяк. Маяк получился в виде башни высотой 120 метров. На башне находилось множество остроумных технических приспособлений: флюгера, астрономические приборы, часы. На верхнем этаже в круглой обнесенной колоннами ротонде вечно горел громадный костер.

Но и большой костер дает не так уж много света. К тому же свет его расходился бы во все стороны и должен был бы быстро терять свою силу. Можно предположить, что огонь костра отражался с помощью большого вогнутого металлического зеркала с линзой. Вогнутое зеркало отбрасывало все лучи в одном направлении, и благодаря этому свет маяка значительно усиливался. Дрова для костра доставлялись наверх по спиральной лестнице, такой пологой и широкой, что по ней на стометровую высоту въезжали повозки, запряженные ослами.

С падением Римской империи маяк перестал работать, обвалилась верхняя башня, а стены нижнего этажа разрушились после землетрясения в XIV веке. Руины древнего маяка были встроены в турецкую крепость и в ней существуют поныне.

Основой конструкции современного маяка является прожектор, сила света которого пропорциональна площади собирающего свет зеркала или линзы, а угол, в котором распространяется свет, обратно пропорциональная этой площади.

Сами оптические элементы не делаются из единого куска стекла, так как они очень большие и при условии монолитности будут очень дорогими, сложными в производстве и уязвимыми. А так как это не телескоп, где важна идеальная точность, применение сборной конструкции вполне оправдано.

Одной из самых удачных конструкция стала та, в которой применялась линза Френеля. При этом конструкция из сборки таких линз и зеркал должна вращаться вокруг источника света. Так достигается возможность не только дальнего обнаружения, но и охват на 360°. В современных маяках используется электропривод элементов, а раньше вместо него был часовой механизм или система грузов. «Заводились» они при помощи мускульной силы смотрителя маяка, которому время от времени приходилось потрудиться.

Вогнутые зеркала используются для формирования оптических резонаторов, которые важны в конструкции лазеров. В некоторых стоматологических зеркалах используется вогнутая поверхность для получения увеличенного изображения. В зеркальной системе помощи при посадке современных авианосцев также используется вогнутое зеркало.

Удивительные свойства, которыми обладают вогнутые зеркала, уже имеют научное обоснование. Первыми экспериментаторами в этой области были флорентийские академики, проводившие опыты ещё в XVII веке.

Рефлекторы

Слово рефлектор значит отражатель. Часто зеркала применяют в качестве рефлекторов. Это нужно для того, чтоб сконцентрировать определенный поток световых лучей и их концентрации на одном объекте. Этот поток, как правило, состоит из параллельных лучей, которые увеличивают интенсивность света.

Рефлектор – оптический телескоп, использующий в качестве светособирающего элемента зеркало. Основной частью такого телескопа является вогнутое зеркало. Телескоп – это прибор, предназначенный для наблюдения удаленных предметов.

Вогнутые антенны радиотелескопов очень большого диаметра состоят из множества отдельных металлических зеркал. Например, антенна телескопа РАТАН-600 состоит из 895 отдельных зеркал, расположенных по окружности. Конструкция этого телескопа позволяет одновременно наблюдать несколько участков неба.

Оптический телескоп – это система, состоящая из объектива и окуляра. Задняя фокальная плоскость первого совмещена с передней фокальной плоскостью второго. В фокальную плоскость объектива вместо окуляра может помещаться фотоплёнка или матричный приёмник излучения. В таком случае объектив телескопа, с точки зрения оптики, является фотообъективом. Оптические системы зеркальных телескопов разделяются по типам используемых объективов.

Первым такую схему телескопов изобрёл Исаак Ньютон в 1668 году. Здесь главное зеркало направляет свет на небольшое плоское диагональное зеркало, расположенное вблизи фокуса. Оно в свою очередь отклоняет пучок света за пределы трубы, где изображение рассматривается через окуляр или фотографируется. Главное зеркало параболическое, но, если относительное отверстие не слишком большое, оно может быть и сферическим.

Джеймс Грегори в 1663 году предложил свою конструкцию телескопа. Главное зеркало в таком телескопе – вогнутое параболическое. Оно отражает свет на меньшее вторичное зеркало (вогнутое эллиптическое). От него свет направляется назад – в отверстие по центру главного зеркала, за которым стоит окуляр. Расстояние между зеркалами больше фокусного расстояния главного зеркала, поэтому изображение получается прямое (в отличие от перевёрнутого в телескопе Ньютона). Вторичное зеркало обеспечивает относительно большое увеличение благодаря удлинению фокусного расстояния.

В 1672 году Лоран Кассегрен предложил свою схему телескопа. Это вариант двухзеркального объектива телескопа. Главное зеркало большего диаметра (вогнутое; в оригинальном варианте параболическое) отбрасывает лучи на вторичное выпуклое меньшего диаметра (обычно гиперболическое).

Крупнейший в мире телескоп с цельным зеркалом – Большой бинокулярный телескоп