Как лещите промениха науката

В съвременния свят приемаме много неща за даденост. Например, замисляли ли сте се някога за историята на лещите и как те са разширили представата ни за Вселената? Развитието на тази фина технология ни позволява не само да изследваме съвсем малките неща или да надникнем в необятното пространство на вселената, но те играят важна роля и в ежедневието ни, например във фотоапаратите, в кинопроекторите или, разбира се, в очилата ни. Лещите са изключително ценни и са изиграли важна роля в историята на науката – не на последно място и при разработването на съвременните телескопи.

Раждането на телескопа

Ханс Липерхей

Телескопите вероятно са едни от най-значимите научни инструменти, създавани някога. Малко други предмети са толкова лесно разпознаваеми, както по външен вид, така и по отношение на предназначението им. Те променят начина, по който разбираме нашия свят и мястото му в космоса. Но със сигурност развитието им не би било възможно без далеч по-стари постижения в технологиите за лещи и съпътстващите ги оптични теории; можем да приемем за начало на историята на телескопите края на XVI и началото на XVII век.

Както и при други ранни технологии с лещи, не сме сигурни кой е бил първият им изобретател, но знаем, че през 1608 г. холандският производител на очила Ханс Липерхей обявява нов инструмент, който използва лещи, за да накара далечните обекти да изглеждат по-близки. Това изглежда е първото доказателство за съществуването на телескоп в историята. Липерхей подава заявление за патент за новото си устройство, което се разпространява из цяла Европа, позволявайки на други ранни учени да експериментират със свои собствени версии. Един от тях е италианският учен Галилео Галилей, който чува за изобретението на Липерхей, докато е във Венеция през юни 1609 г.

Ранната история на телескопа е тясно свързана с кариерата на Галилео, чиято работа има трайни последици за разбирането ни за Вселената. Историята на Галилей, който често се споменава като героична фигура, оспорила установения по онова време мироглед за планетата, всъщност е важен пример за това как се съчетават едновременното развитие на научното мислене, на технологиите и на всеобщия обем от знания.

Следвайки примера на Липерхей, Галилео решава да направи свой собствен телескоп и да го насочи към небето. Въпреки че не е единственият астроном, който прави това по онова време, успехът на неговия телескоп му спечелва пожизнена лекторска титла. След това той се заема с усъвършенстването на своя инструмент: първоначалният телескоп, както и този на Липерхей, предлага трикратно увеличение, но следващите му версии предлагат първо 8-, а накрая и 30-кратно увеличение. Това осигурява безпрецедентни гледки към небесните обекти и променя всичко. В крайна сметка Галилео не е единственият, който използва телескопите за тази цел, но той много бързо публикува резултатите си и разбира значението им.

Най-важните му наблюдения включват разкритието, че противно на принципите на Аристотел, Луната не е гладка сфера, а обект с груба повърхност като Земята, с вдлъбнатини и планини. Установява също съществуването на 4 неизвестни дотогава луни, които обикалят около Юпитер, като така за първи път в историята се наблюдават обекти, които обикалят около друго тяло, освен Земята или Слънцето. След това се появили фазите на Венера, които не могли да бъдат обяснени от традиционния по онова време земно-центричен модел на Вселената.

Това накарало Галилео да се застъпи за хелиоцентричния модел на Коперник, публикуван от поляка през 1543 г. Подобно на някои други хора по онова време, Галилей също наблюдава петна по повърхността на Слънцето и ги предполага, че те се движат вследствие на въртенето му – това е още един пирон в ковчега на аристотеловата представа за съвършен и непроменящ се космос.

Усъвършенстване

През 1611 г. Йохан Кеплер, вдъхновен от работата на Липерхей и Галилей, проектира и построява свой собствен телескоп, който използва изпъкнали лещи, с които зрителите могат да видят много по-големи зрителни полета (макар че също така обръщат изображението). Телескопът на Кеплер е забележителен, защото постига много по-голямо увеличение от тези на Галилей, което му позволява не само да потвърди много от наблюденията на италианеца, но и да направи свои собствени. Той ги записва в своето съчинение „Разговори с пратеника на звездите“.

Днес Кеплер се помни заради приноса му към астрономията, но той е имал изключително голямо влияние и в областта на оптиката. Всъщност неговата новаторска книга „Оптически дял на астрономията“ му спечелва титлата „баща на съвременната оптика“. Неговата работа има важно значение за последващите открития на хора като Исак Нютон, които продължават да развиват и усъвършенстват ранните телескопи, както и законите на науката, които са в основата им.

По-голямото е по-добре?

Сравнение на идеално изображение на пръстен (1) и изображения само с аксиална (2) и само с напречна (3) хроматична аберация

Един от важните приноси на Нютон за развитието на телескопите има значителни последици. Вместо да използват лещи, Нютоновите телескопи (първият от които е построен през 1668 г.) разчитат на огледала: по същество едно голямо вдлъбнато огледало фокусира светлината върху по-малко огледало, което след това проектира образа върху окуляр отстрани на инструмента. Тази промяна преодолява постоянния проблем, който се появява при традиционните рефракционни телескопи, т. нар. хроматична аберация – ефект, който се появява, когато лещата не може да пречупи правилно всички дължини на цветните вълни в една и съща точка и те се разсейват, както е показано на илюстрацията по-горе.

Със сигурност Нютон не е първият човек, който обмисля рефлекторни телескопи, но неговата версия има някои важни предимства – тя е по-евтина, не предизвиква аберацията и е по-лесна за сглобяване и пренасяне. Въпреки това мнението му, че отразяващите телескопи са единственият начин да се преодолеят проблемите с аберацията, скоро е развенчано от Честър Мур Хол, който през 1729 г. разработва нова леща, която се състои от два вида стъкло, залепени заедно. Тази модификация преодолява същия проблем и доказва, че рефракционните телескопи все още не са за пренебрегване.

Така в общностите на астрономите и производителите на телескопи започва своеобразна надпревара, в която те се състезават да създават все по-големи версии на тези устройства. Един от най-известните е 12-метровият рефлекторен телескоп на Уилям Хершел, построен през 1789 г. През следващия век се появяват и още по-големи устройства до 1897 г., когато е открита обсерваторията „Йеркес“ в Уисконсин, САЩ, с масивен 100-сантиметров (40-инчов) рефрактивен обектив, който по това време е най-големият по рода си в света. Този телескоп се използва и до днес, но в крайна сметка, с навлизането в ХХ век, надпреварата за по-големи и по-добри телескопи до голяма степен е спечелена от рефлекторните.

Днес повечето, които се използват в обсерваториите или на космическите станции, разчитат на огледала, а не на лещи, и надпреварата за конструиране на най-големите устройства вече е приключила. Въпреки това значителният напредък в оптиката и съпътстващите я практики за изработване на лещи, създадени и усъвършенствани през предходните векове, са основатана, на която лежат настоящите ни усилия за изследване на Вселената.