IX. 5. Телескоп галилея и его потомки

В 1609 году итальянский ученый Галилей, вставив в старую, никому не нужную органную трубу две линзы, превратил ее тем самым в подзорную трубу.

Она приближала предметы всего только в три раза. Но и такой слабенький прибор был для того времени поразительным. Многие знатные жители Падуи взбирались вместе с Галилеем на высокую башню, чтобы посмотреть оттуда на плывущие в море корабли: в трубу корабли были видны за два часа до их прихода в гавань.

Эта подзорная труба (ее можно назвать и телескопом) по своему устройству напоминала микроскоп: в нее тоже спереди был вставлен стеклянный хрусталик, а сзади — увеличительное стекло.

Но, в отличие от микроскопа, стеклянный хрусталик в ней не давал увеличенного изображения; для того чтобы хрусталик увеличивал, надо поднести предмет очень близко к нему. А через трубу смотрели не на близкие, а на далекие предметы.

Увеличивало изображение только второе стекло. Поэтому увеличение и было незначительным.

Стеклянный хрусталик в телескопе дает маленькое изображение предмета. Но зато он может давать очень четкое, яркое изображение, тем более яркое, чем больше хрусталик.

Ведь стеклянный хрусталик «собирает лучи, он служит как бы световой воронкой. Чем он больше, тем больше света он захватывает. Хрусталик в человеческом глазу — не больше боба. А стеклянный хрусталик можно, конечно, сделать гораздо большим.

Так Галилей и поступил. Он сделал вскоре новый телескоп с увеличением уже в тридцать раз и с линзой, во много раз большей, чем хрусталик у человека.

Световая воронка этого телескопа собирала света в сто раз больше, чем хрусталик человеческого глаза.

Седьмого января 1610 года Галилей направил свой телескоп на небо и застыл пораженный: такую необычайную картину он увидел.

Самый зоркий человек видит на небе не больше трех тысяч звезд. Галилей же увидел в свой телескоп много тысяч таких звезд, которых до него не видел никто: телескоп усилил яркость слабых звезд и сделал их видимыми.

Луна представлялась простому глазу диском. А в телескоп ясно было видно, что Луна не диск, а шар, — одна половина ее в тени.

Люди давно уже заметили на Луне какие-то пятна. Но что это за пятна, никто не мог сказать. Одним казалось, что на Луне нарисовано человеческое лицо, другим мерещился заяц или еще какое-нибудь животное.

Галилей же различил через телескоп горы на Луне, равнины, большие углубления, как бы моря. По величине теней от лунных гор он сумел даже вычислить их высоту.

Планета Юпитер кажется невооруженному глазу точкой. А если глядеть в телескоп, то видно, что на самом деле Юпитер — блестящий шарик. Оказалось, что не только Земля имеет спутника. Недалеко от Юпитера Галилей заметил еще четыре маленьких светлых шарика. Это были спутники, или луны, Юпитера.

Направив трубу на Млечный Путь, Галилей ясно увидел, что это скопление бесчисленного множества звезд. Теперь уже никак нельзя было говорить, что Млечный Путь — это скопление земных испарений, зажженных в небесах.

Это был целый переворот в науке о вселенной.

Еще за сто лет до Галилея Коперник доказывал, что Земля и остальные планеты вращаются вокруг Солнца. Но тогда только немногие были убеждены доводами Коперника. Теперь же стало ясно, что Коперник совершенно прав.

Два стекла, вставленные в трубку, показали воочию, что Земля совсем не является центром вселенной. Тем самым они подрывали основу христианской веры.

Галилея схватила инквизиция, его чуть не сожгли на костре. Он спасся только тем, что всенародно отрекся от своей «ереси»...

После Галилея стали строить телескопы с еще большими линзами. Однако здесь, как и в микроскопе, первое время сильно мешали цветные полосы. Только после того, как научились варить оптическое стекло, стало возможным строить большие телескопы.

Телескопы, по своему устройству сходные с галилеевскими, то есть собирающие свет линзой, называются рефракторами.

Чем больше линза-рефрактор, тем больше увеличение, которое дает телескоп. Самые большие линзы в современных рефракторных телескопах имеют диаметр около одного метра.

Делать большие линзы необычайно трудно. Ведь линза должна быть идеально прозрачной, а главное — нельзя допустить, чтобы в ней содержались даже самые мелкие пузырьки воздуха или свили. Если это случится, лучи звезды не соберутся в одну точку и ее ясно не увидишь.

Еще труднее правильно отшлифовать и отполировать такую линзу. Это целое искусство, мало кому доступное. Это как бы высший, самый строгий экзамен для стекольщиков.

Мастеров, умевших полировать такие стекла, было так мало, что их можно было перечислить по именам. Таким был, например, Шорт. Он жил двести лет назад. Это был замечательный мастер, настоящий художник своего дела. Никто не мог сравниться с ним. Изумительным мастером был и Альвино Кларк, живший восемьдесят лет назад. Он делал стекла для обсерваторий всего мира.

Почти все такие мастера были самоучками, почти все они попадали в кабалу к крупным оптическим фирмам и жили очень бедно. Но они не бросали своего дела, потому что любили его.

Эти мастера не образуют одной династии подобно Гинану и его потомкам: секрет легко передать по наследству, а талант завещать нельзя. Их можно сравнить, скорее всего, с великими шахматистами. Они также достигали успеха своим невероятным упорством, напряжением всех сил. Но шахматный чемпион сыграет тысячи партий, а стекольщик отполирует за всю свою жизнь всего несколько больших стекол, которые долго после его смерти будут безупречно работать в телескопах разных стран, служить молчаливым стеклянным памятником огромного труда.

Одному из таких знаменитых мастеров — англичанину Греббу — и были заказаны русскими учеными в 1912 году стекла для нового телескопа Пулковской обсерватории.

Прошло десять, прошло пятнадцать лет, а стекла всё еще не были готовы. В 1930 году старый мастер умер. И встал вопрос: кому же теперь передать заказ?

Тогда обсерватория обратилась к знаменитой германской оптической фирме Цейсс. Цейсс готов был взяться за дело: у него уже был припасен подходящий кусок стекла. За шлифовку и полировку Цейсс потребовал сто тысяч марок золотом. И поставил еще одно непременное условие: срок не указывается. Он постарается выполнить работу в два с половиной года. Но если не выйдет, то не выйдет. Может быть, придется ждать пять лет, а может быть — и десять.

Что было делать? Согласиться?

Тогда-то наш оптический институт и предложил: прежде чем соглашаться на условия Цейсса, надо попробовать сделать рефрактор самим. Неужели у нас не найдется своих мастеров, которые смогли бы сварить, отформовать, отшлифовать и отполировать стекло для рефрактора?

К этому времени у нас уже было свое, хорошо поставленное производство оптического стекла и свои крупные специалисты в области шлифовки, полировки и изготовления точной оптики. За изготовление заготовок дисков для рефракторов из лучшего, самого однородного и чистого стекла диаметром в 30 дюймов (75 сантиметров) взялись сразу два завода оптического стекла. Чтобы стеклянные диски для рефракторов были самого лучшего качества, пришлось разрешить немало трудных задач. Обычно оптическое стекло остывает в том же горшке, в котором и варится. При остывании стекло в горшке растрескивается на сравнительно мелкие куски, из которых и делают оптические детали.

Для того, чтобы получить такой большой кусок стекла, какой был нужен для рефрактора, надо было остудить стекло в горшке другим способом.

В эти дни на заводе собралось много ученых и инженеров — лучших специалистов в области оптического стекловарения. За стеклом неотступно следили. Остуживание горшков со стеклом велось по особому, специально разработанному режиму. Расчеты инженеров и ученых оправдались. Несколько огромных кусков стекла было получено. Но хотя количество стекла по весу в этих кусках было достаточным, форма их была такой, что диски нужных размеров из них еще не выходили. Тогда эти куски были уложены в плоские круглые формы из огнеупорной глины такого же диаметра, что и диск рефрактора.

Формы намазали особым составом, чтобы стекло не прилипало к их стенкам и не могло растрескаться при остывании. Формы со стеклом поставили в печи и начали их разогревать. Стекло постепенно растекалось и заполняло формы. Тогда нагревание прекратили и диски начали студить. Но сказать, что они получились удачно, было еще нельзя: пока стекло горячее, определить его качество невозможно.

Надо было ждать, пока диск остынет. Для этого пришлось запастись терпением, так как при быстром охлаждении в стекле могли возникнуть «натяжения». Что же такое эти «натяжения»? Почему они могут получаться в стекле?

Все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Этот закон знают все. Стекло также при остывании сжимается, то есть объем его уменьшается. При быстром охлаждении может случиться так, что наружный слой остынет и сожмется раньше, чем внутренний, который благодаря этому не позволит сжаться наружному слою до наименьшего объема. Когда же внутренний слой также остынет и будет иметь окончательный объем, то он будет как бы стягивать на себя наружный слой, в стекле появятся «натяжения».

Иногда при быстром или неравномерном остывании натяжения могут оказаться настолько сильными, что стекло может растрескаться. Довольно часто и случается так, что какая-нибудь стеклянная банка или бутылка трескается сама собой. Но и тогда, когда трещин не образуется, натяжения в стекле получаются настолько значительные, что стекло, каким бы оно ни было хорошим, начинает неправильно преломлять лучи света.

Например, если бы в астрономическом диске оказались натяжения, то его уже нельзя было бы поставить в телескоп, так как отдельные его части стали бы преломлять лучи не одинаково и телескоп работал бы не точно, а это совершенно недопустимо. Для того чтобы натяжений в стекле не получалось, все изделия из стекла надо охлаждать очень равномерно и медленно. И чем крупнее изделие, тем медленнее и осторожнее надо его охлаждать.

Стеклянные диски для телескопа остывали несколько месяцев: каждый день на два-три градуса. Наконец диски остыли. С огромным волнением открыли печи инженеры и рабочие, — ведь столько труда было затрачено на их изготовление. И труды не пропали даром. Несколько дисков удались прекрасно.

Теперь надо было найти людей, которые смогли бы из этих дисков сделать линзы-рефракторы. И такой человек нашелся. Это был советский ученый-физик Д. Д. Максутов — человек, который посвятил всю свою жизнь постройке телескопов. Еще мальчиком он начал делать маленькие телескопы для школ, а затем — зеркала и линзы для самых точных оптических приборов. Сначала диск шлифовали несколько месяцев, сняли с него всё лишнее стекло и придали ему нужную форму линзы.

Теперь надо было отполировать поверхность линзы, снять совсем тонкий слой стекла. И вот на это времени ушло еще больше, — ведь требовалась очень большая точность. Наконец и полировка была закончена.

Специальная комиссия устроила самое строгое испытание нашим отечественным рефракторам. Их сравнивали с подобными же стеклами Цейсса. И они оказались ничуть не хуже и даже лучше цейссовских.

Так наша молодая оптическая промышленность блестяще справилась с труднейшей задачей в той области, в которой иностранные фирмы считали себя непревзойденными.

Отечественный рефракторный телескоп был целиком изготовлен на советских заводах и установлен в Пулковской обсерватории под Ленинградом, где и работал отлично до тех пор, пока обсерватория не была варварски разрушена немецкими фашистами во время Великой Отечественной войны. Такие же отечественные телескопы были установлены в других обсерваториях Советского Союза.

Страна, которая может строить телескопы, может строить и любые, самые сложные оптические приборы, в том числе и те, которые нужны для войны. И действительно, наша армия теперь обеспечена полностью «оптическим вооружением» — и биноклями, и стереотрубами, и фотоаппаратами, и оптическими прицелами.

Современный линзовый телескоп — это большое, сложное сооружение, состоящее из множества различных частей и механизмов. Длина трубы линзового телескопа с поперечником рефрактора в 1000 сантиметров должна быть около 20 метров. Нужны сложные механизмы, чтобы направлять трубу на любой участок неба и чтобы труба автоматически поворачивалась за перемещающейся планетой или звездой. Это действительно великолепный «глаз» человечества, созданный стеклоделами и учеными.

Телескоп, устроенный по образцу галилеевского, достиг своего предела. В продолжение трехсот лет он развивался, совершенствовался, рос. Но дальше расти он уже не может.

За эти триста лет он, правда, породил целую семью оптических приборов, сходных с ним по своему устройству. Членами этой семьи являются бинокли — театральный и военный, — подзорная труба, стереоскопическая труба, телескопический прицел винтовки и артиллерийская панорама.

В одно и то же время и подзорная труба, и перископ, и прицельный прибор...

Да, старый галилеевский телескоп может гордиться своими многочисленными потомками. Все они развиваются и совершенствуются, все приносят пользу и в мирное и в военное время.

А как же сам телескоп? Неужели его уже нельзя усовершенствовать?

IX.6. ТЕЛЕСКОП-ГИГАНТ

Собрать пучок лучей в точку может не только линза, но и вогнутое зеркало. Так почему бы не построить в таком случае зеркальный телескоп, основанный не на преломлении, а на отражении света?

Первый зеркальный телескоп построил в 1668 году Исаак Ньютон. Это был совсем маленький инструмент, — его вогнутое зеркало было меньше спичечного коробка. Всё же в этот телескоп были отчетливо видны очень далекие от нас спутники Юпитера.

Зеркальные телескопы назвали рефлекторными: слово «рефлектор» означает: «отражатель».

Чем больше «световая воронка» телескопа, тем больше света в него попадает и тем телескоп сильнее. В телескопе-рефлекторе «световой воронкой» служит вогнутое зеркало. Понятно, что строители телескопов старались сделать зеркало как можно больших размеров.

Астроном Гершель построил полтораста лет назад исполинский по тем временам телескоп: поперечник его зеркала был больше метра. Зеркало было сделано не из стекла, а из сплава меди и олова.

Медь, как известно, сильно расширяется от тепла. Стоило притронуться к зеркалу пальцем — и оно под влиянием теплоты уже меняло свою форму. Конечно, такое ничтожное изменение формы не было заметно. Но его было достаточно для того, чтобы световые лучи отклонились в сторону и изображение в телескопе стало неясным, так что сам же Гершель предпочитал наблюдать небо не через этот большой телескоп, а через другие, меньшие.

Стеклянное зеркало было бы несравненно лучше металлического. Но делать совершенно чистое, однородное стекло тогда еще не умели.

После того как научились варить оптическое стекло, стали строить телескопы со стеклянными зеркалами.

Зеркальные телескопы имеют даже некоторые преимущества перед линзовыми. В линзовых телескопах на краях изображения появляются радужные полосы благодаря тому, что при преломлении белый свет разделяется на составляющие его отдельные цветные лучи. Устранение этих радужных полос требует значительного усложнения конструкции телескопа. В рефлекторных телескопах цветных полос не возникает, потому что свет в них не преломляется, а только отражается. Требования к качеству стекла для зеркала значительно слабее, чем к стеклу для линзы, так как в зеркале работает только поверхность стекла, на которую наносится отражающий слой серебра или алюминия.

Желая проникнуть всё дальше в глубины вселенной, астрономы всё время стремились строить телескопы со всё большими размерами зеркал. Самый большой телескоп-рефлектор был построен в Америке. Поперечник его зеркала — 5 метров. Изготовить такое огромное зеркало оказалось не менее сложно, чем самый большой линзовый рефрактор.

Прежде всего нужно было каким-то способом уменьшить вес зеркала, — ведь стеклянный диск такой величины должен весить сорок тонн. Он стал бы прогибаться от собственной тяжести.

Как бы ничтожно мал ни был прогиб, всё равно форма зеркала исказится и изображение сразу станет неясным.

Чтобы избежать этого, решили отлить диск не сплошным, а в виде тонкой пластины с ребрами на задней стороне. Это облегчило вес зеркала ровно вполовину.

Надо было также принять меры к тому, чтобы зеркало не меняло своей формы от колебаний температуры. Для этого его отлили из такого сорта оптического стекла, которое почти не расширяется при нагревании.

Отлить такой огромный диск из стекла было очень трудно. Рабочие целый день черпали стекло из печи большими ковшами и переливали его в форму, а потом отлитый диск остывал целый год.

Шлифовку и полировку стекла решили произвести в городе Пасадена в Калифорнии. Для этого потребовалось перевезти диск через всю Америку.

Но как провезти такой огромный кусок стекла по железной дороге? Если его поставить на ребро, — он заденет арки мостов, под которыми будет проходить поезд. А если положить,— его край высунется далеко из вагона и будет мешать встречным поездам.

Пришлось построить для этого куска стекла специальный вагон-платформу с низко опущенным полом. Диск положили в круглую стальную коробку на толстый слой пробки и войлока. Коробку поставили на ребро. И поезд тронулся.

Это был особый поезд в составе трех вагонов. Его пассажиром был самый большой в мире кусок стекла.

Впереди шел поезд с технической инспекцией, которая проверяла, в полном ли порядке путь, не тряхнет ли где-нибудь хрупкого пассажира.

Весь караван передвигался очень медленно и только днем.

Несколько лет ушло на шлифовку и полировку зеркала. Ведь требовалась точность до одной десятитысячной миллиметра. А что такое десятитысячная миллиметра? Паутинная ниточка в пятьдесят раз толще.

Наконец кончили и полировку. Теперь огромное вогнутое стекло, похожее на блюдце, надо было превратить в зеркало: нанести на его отполированную сторону слой алюминия. Это сделали в особой камере, из которой выкачали воздух, как из электрической лампочки.

Алюминиевый слой получился ровным и тонким: «толщиной» всего в несколько молекул.

Наконец зеркало было готово и установлено в гигантском телескопе, построенном на горе Паломар, в 75 километрах от города Сан-Диего. Зеркальный рефлектор укреплен на дне трубы высотой с пятиэтажный дом. Астроном-наблюдатель помещается в кабине у верхушки трубы.

Гигантский рефлектор собирает света в миллион раз больше, чем хрусталик человеческого глаза. Значит, такой телескоп показывает звезды, в миллион раз более слабые, чем те, которые можно увидеть невооруженным глазом.

У зеркальных телескопов, так же как и у линзовых, есть свои недостатки. Прежде всего, если поверхность зеркала сделать просто шаровой, то изображение будет получаться расплывчатым. Для того, чтобы изображение было отчетливым, поверхность зеркала должна быть не шаровой, а более сложной — параболической. Изготовление таких поверхностей значительно более сложно, чем шаровых. А точность поверхностей зеркала должна быть много больше, чем линзы-рефрактора. Очень важно и то, что зеркала более чувствительны к прогибам, чем линзы. Ничтожный прогиб зеркала сразу делает изображение нечетким.

Борьба между линзами и зеркалами велась с тех пор, как были изобретены зеркальные телескопы. Спор между астрономами о том, какие телескопы лучше, продолжался бы и сейчас, если бы не были найдены пути их примирения.