Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Красная составляющая белого цвета меньше преломляется, проходя сквозь линзу, и приходит к фокусу в одной точке. Оранжевая составляющая преломляется несколько больше и приходит к фокусу в другой точке, чуть ближе расположенной к линзе, чем красная. Желтый цвет фокусируется еще ближе, а за ним идут зеленый, голубой, синий, и ближе всех фиолетовый. Это означает, что если глаз приникает к окуляру телескопа таким образом, что красная составляющая света от небесного тела сфокусирована на сетчатке, то остальные цвета будет фокусироваться дальше от глаза и соответственно их изображение будет более широким и размытым. Изображение небесного тела будет окружено синим ореолом. Если глаз приник таким образом, что на нем сфокусирована фиолетовая составляющая спектра, то все остальные, получается, будут еще не достигшими фокуса, и ореол будет оранжевым. Ничего не остается делать, кроме как фокусировать глаз где-то посередине и терпеть цветные ореолы, которые в таком случае становятся минимальными, но не исчезают.

Это называется хроматической аберрацией; слово «хроматическая» происходит от греческого слова, означающего «цвет». Ее не будет, если свет берется только из малой части спектра (такой свет будет монохромным, или одноцветным), но телескоп или микроскоп, как правило, имеет дело с обычным, не монохромным светом.

Ньютон догадывался, что хроматическая аберрация является абсолютно неизбежной погрешностью линз и ни один телескоп, действие которого основано на изображениях, создаваемых преломлением света в линзе (т. е. телескоп-рефрактор), не будет от этого избавлен. Он задумался об исправлении ситуации путем прикладывания к линзе зеркала. Как уже указывалось в этой книге, реальное изображение формируется вогнутым зеркалом, отражающим свет, так же как и выпуклой линзой, его пропускающей. Более того, в то время как разные цвета света преломляются сквозь линзы по-разному, отражаются от зеркала они строго одинаково. Следовательно, зеркала не создают хроматической аберрации.

В 1668 году Ньютон разработал телескоп, в котором использовалось такое зеркало. Это был первый в практике телескоп-рефлектор. Он был всего в шесть дюймов длиной и в один дюйм шириной, но был столь же хорош, сколь и первый телескоп Галилея. Вскоре после этого Ньютон создал и другие телескопы-рефлекторы — больше и лучше.

Помимо устранения хроматической аберрации, отражающие телескопы имели и другие преимущества перед телескопами-рефракторами. Линза должны быть сделана из безупречного стекла с двумя изогнутыми поверхностями — передней и задней, отшлифована как можно идеальнее, раз слабый свет звезд должен быть передан без потерь и тщательно сфокусирован. Однако зеркало лишь отражает свет, и для него важно, чтобы была совершенной только отражающая поверхность. В телескопическом зеркале передняя поверхность (а не задняя стенка, как у обычных зеркал) покрыта тонкой отражающей металлической пленкой, поэтому стекло за металлической поверхностью не обязано быть идеальным. Оно не имеет дела со светом, оно просто поддерживает металлическую поверхность. Поскольку гораздо легче создать большое стекло с некоторой погрешностью, чем большое идеальное стекло, то легче сделать большое телескопическое зеркало, чем большую телескопическую линзу, особенно учитывая, что в зеркале необходимо обработать одну поверхность, а в линзе — две.

Опять же, при прохождении сквозь линзу часть света обязательно поглощается. Чем больше и толще линза, тем больше поглощение. А в случае с зеркалом, с другой стороны, независимо от его величины свет просто отражается от поверхности и практически не теряется за счет поглощения. Далее, линза должна держаться в оправе, ведь вся ее площадь должна быть открыта для беспрепятственного прохождения света; большую, толстую линзу становится трудно поддерживать в оправе, потому что середина начинает провисать, и это приводит к искажениям. Зеркало же можно поддерживать сколько угодно по всей его площади.

Это привело к тому, что все большие телескопы в мире — рефлекторы. Самый большой из действующих — 200-дюймовый рефлектор, который был запущен в эксплуатацию в 1948 году на горе Паломар в Калифорнии. Еще есть 120-дюймовый рефлектор на горе Гамильтон и 100-дюймовый на горе Уилсон (оба в Калифорнии). В Крыму есть 103-дюймовый телескоп и строят 236-дюймовый.

Сравните это с 40-дюймовым рефрактором в обсерватории Йеркса в Висконсине, который стал самым большим телескопом-рефрактором в 1897 году, да, похоже, и останется таковым.

Однако даже рефлекторы имеют практические ограничения в размерах. Собирание и концентрация света включают в себя собирание и концентрацию несовершенств окружающей среды — дымки в воздухе, рассеянного света от далеких городов, разницы в температуре, которая выражается в быстрых изменениях преломляемости воздуха и заставляет изображения звезд плясать и мерцать.

Для следующего этапа оптической телескопии нам, возможно, придется ждать того дня (может быть, уже не столь отдаленного), когда астрономическую обсерваторию можно будет основать на Луне, где нет воздуха, который поглощает, преломляет и рассеивает тусклый свет звезд, и где астроном (имея все средства для выживания во враждебной человеку среде) будет чувствовать себя как фигурально выражаясь, так и вполне буквально на седьмом небе.

Но Ньютон ошибался, считая, что хроматической аберрации в линзах избежать невозможно. Ему не довелось испытать призмы, сделанные из различных сортов стекла, на предмет того, будет ли различие в преломлении разных цветов у них одинаковым. Более того, он проигнорировал сообщения от тех, кому довелось это сделать (конь о четырех ногах — и тот спотыкается!).

Разница в степени преломления света на красном и фиолетовом краях спектра определяет степень разброса спектра на заданном расстоянии от призмы. Это дисперсия спектра. У различных сортов стекла дисперсия различна. Так, оптическое стекло флинтгласе (содержащее свинец) имеет дисперсию в два раза большую, чем кронгласе (свинца не содержащий).

Следовательно, можно сделать собирающую линзу из крон-гласса и добавить ее к менее сильной рассеивающей линзе из флинтгласса. Рассеивающая линза из флинтгласса будет нейтрализовать лишь часть собирающего эффекта линзы из кронгласса, но зато она сбалансирует всю дисперсию. В результате мы будем иметь комбинированную линзу, собирающая сила которой будет не так велика, как у одной линзы из кронгласса, но не создающую спектра и не приводящую к сферической аберрации. Это ахроматическая линза (от греческого «бесцветный»). Английский оптик Джон Доллон (1706–1761) создал первый ахроматический телескоп в 1758 году. Хотя он и не устранил этим всех недостатков рефракторов, но сделал практичными умеренно большие телескопы-рефракторы.