Дмитрий Калюжный - Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона
Все эти ученые пользовались еще простым микроскопом. Левенгук употреблял маленькие стеклянные чечевицы, увеличивавшие в сто шестьдесят раз, Гук – стеклянные шарики, а Гартсекер сам плавил для себя подобные шарики над лампой. Еще проще был водяной микроскоп С. Грея 1696 года, где капля воды, взятая на кончик иглы, помещалась в маленькое отверстие металлической пластинки и сама собой превращалась в увеличительное стекло.
Микроскоп XVII века с подсветкойОцените, до какой же степени было затруднено исследование микромира с помощью таких шариков и как велика была наблюдательность, например, Левенгука, открывшего при помощи подобного инструмента инфузории, семянные тельца и так далее! Ведь согласно исчислению Гюйгенса, шарик увеличивает только в сто двадцать раз. Продолжительное применение столь простых микроскопов показывает, что потребности в них были минимальны даже в XVII веке, а позднее начало научных исследований служит признаком того, что в это время вообще не нуждались еще в микроскопе.
Знаменитый Гюйгенс, несмотря на то, что он был голландцем, полагает, что микроскоп был изобретен не ранее 1618 года и впервые продемонстрирован у Дреббеля в Англии в 1621 году. Однако Галилей уже в 1612 году послал микроскоп в дар королю Сигизмунду польскому, но это, очевидно, не вызвало ничьего внимания, так как Гюйгенс в подтверждение своей точки зрения указывает, что итальянец Сиртури, писавший в 1618 году о зрительных трубах, не упоминает еще о микроскопе.
Поговорим же подробнее о телескопе и микроскопе Галилея.
Как только профессор физики и военного дела Галилео Галилей узнал о появлении нового прибора – зрительной трубы, он сразу решил применить его для астрономических наблюдений. Он уже в то время был убежденным последователем Коперника. Он в это время занимался движением маятника и связанной с этим проблемой свободного падения тел и получал результаты, в общем противоречащие учению Аристотеля. И вот, за несколько дней наблюдения звездного неба в телескоп он увидел достаточно для того, чтобы полностью опровергнуть всю картину мира Аристотеля.
Луна не выглядела совершенной сферой, Венера, как и Луна, имела фазы, Сатурн оказался разделенным на три планеты. Галилей также заметил, что вокруг Юпитера вращаются три звезды или луны, то есть миниатюрная система Коперника, которую каждый смотрящий в телескоп мог увидеть своими глазами. Он обнаружил также, что Солнце вращается вокруг своей оси, и на его поверхности имеются пятна. Кроме того, поверхность Луны оказалась гористой, а сама Луна совершала видимые периодические колебания вокруг центра как маятник. Галилей обнаружил огромное количество звезд, невидимых невооруженным глазом или даже с помощью зрительных труб. Кажущийся туманностью Млечный Путь также оказался состоящим из отдельных звезд.
В 1610 году Галилей опубликовал труд «Звездный вестник». В нем он сжато и ясно излагал свои наблюдения. Книга вызвала сенсацию, и надо сказать, что многие открытия Галилея получили признание в церковных кругах, а папа Урбан VIII считал его своим другом. Однако доминиканцы и иезуиты оказались сильнее папского покровительства: по их доносу в 1633 году Галилей был предан суду инквизиции в Риме и чуть было не разделил участь Джордано Бруно. Лишь ценой отречения от своих взглядов он спас себе жизнь; учение о движении Земли было объявлено ересью.
Но его «Звездный вестник» послужил могучим стимулом к созданию разнообразных конструкций телескопов и других оптических приборов. Путем логических рассуждений он сам пришел к выводу о необходимости сочетания в телескопе выпуклой и вогнутой линзы для получения искомого эффекта увеличения. Он первым понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть различным. Галилей усовершенствовал технологию изготовления линз, что позволило ему создать инструмент, увеличивающий в 32 раза, в то время как все существовавшие до него зрительные трубы давали увеличение лишь в 3–6 раз.
Галилею также принадлежит приоритет в конструировании микроскопа, который он создал, подбирая соответствующее расстояние между линзами, при котором оказывались увеличенными не удаленные, а близкие предметы. О наблюдениях насекомых имеется запись от 1614 года, а в 1624 году он посылает сконструированный им микроскоп Федерико Чези с описанием наводки на резкость.
После смерти Галилея должность придворного математика герцога тосканского получил его ученик Эванджелиста Торричелли. Научившись у своего великого учителя искусству шлифовки линз, он стал искать ответ на вопрос: как проверить точность изготовления линз? Так как в первой половине XVII века еще не были известны явления интерференции и дифракции, результат работы шлифовальщиков целиком зависел от случая. В 1646 году им была сделана линза диаметром 83 мм, которая и сейчас относится к классу современной точной оптики. Письма Торричелли, датированные 1644 годом, доказывают, что это не было случайностью. Он писал:
«В конце концов… изобретение, касающееся стекол, у меня в руках… За несколько последних дней я один обработал шесть стекол, из которых два не уступали наилучшему из тысячи стекол, сделанных за тридцать лет Фонтаной» (линзы неаполитанского мастера-оптика были самыми совершенными в то время).
Хотя Торричелли так и не открыл свой секрет и не опубликовал ни одной работы по оптике, полагают, что он заметил интерференционные кольца, возникающие при притирке линзы с поверхностью формы, и использовал их для оценки качества обрабатываемой поверхности. Заметим, что, когда он умер, официальным открывателям этих «колец Ньютона» Роберту Гуку и Исааку Ньютону было 12 и 5 лет соответственно.
Кроме изготовления зрительных труб и телескопов, Торричелли занимался конструированием простых микроскопов, состоящих всего из одной крошечной линзы, которую он получал из капли стекла, расплавляя над пламенем свечи стеклянную палочку. Подобно тому, как в руках Галилея телескоп обнаружил тайну звезд, микроскоп в руках исследователей XVII века открыл двери в мир бесконечно малого. Насекомые, части растений, бактерии – все это стало предметом исследования и привело к быстрому расцвету соответствующих дисциплин.
А фундамент современной научной оптики линз заложил выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер, родившийся в 1571 году. При точном расчете оптимальных линз для любых целей надо знать правильный закон преломления света в стекле. Этот закон еще не был известен; конечно, не знал его и Кеплер (он ошибочно полагал, что отношение угла падения к углу преломления есть константа). И все же он придумал такие системы линз для телескопов, что даже в наши дни кеплеровский окуляр находит применение в оптических приборах.
Помимо интенсивных занятий астрономией, он изобрел зрительную трубу, состоящую из двух положительных линз (телескоп Кеплера) с большим полем зрения и промежуточным перевернутым действительным изображением, в плоскости которого можно располагать визирующее устройство. Это превратило телескоп из инструмента наблюдательного в инструмент измерительный.
Он первым применил камеру-обскуру для наблюдения солнечного затмения, установив, что форма изображения на стенке камеры не зависит от формы отверстия. В 1604 году Кеплер написал «Дополнение к Виттеллию», в котором четко описывает перевернутое изображение на сетчатке глаза, завершив исследования Альхазена и Леонардо да Винчи в области физиологии зрения.
Его главным трудом по оптике стала «Диоптрика», написанная всего за два месяца в 1610 году, под впечатлением открытий Галилея. Здесь он дал начала анализа и синтеза оптических систем, а также все основные понятия геометрической оптики. Этот выдающийся труд и все остальные работы, в том числе знаменитые законы для гелиоцентрической системы Коперника, он создавал в тяжелейших материальных условиях.
Таким образом, в первом десятилетии XVII века Кеплер научно объяснил ряд оптических явлений (отражение, преломление), ввел понятие фокуса и дал глубокий анализ механизма зрения.
Преломлением света Кеплер занялся в связи с астрономическими проблемами. Он заметил, что если падающий луч образует с перпендикуляром угол не более чем 30°, то преломленный луч идет под углом, не превышающим 20°. Он заметил также следующее: когда свет проходит из среды более плотной в менее плотную, угол, на который отклоняется преломленный луч (по отношению к перпендикуляру), возрастает с увеличением угла падения до тех пор, пока не оказывается параллельным преломляющей поверхности.
Анастасиус Кирхер (1601–1680) на основании большого числа опытов составил таблицу углов падения и соответствующих им углов преломления, вплоть до одной минуты, используя в основном прозрачные жидкости и твердые тела. Описывал он также ход лучей из воздуха в воду, из воздуха в вино и из масла в стекло.
