Сергей Иванович Вавилов ИСААК  НЬЮТОН Воспроизведено по 2-му просмотренному и дополненному изданию (М.-Л.: Изд. АН СССР, 1945 г.)

Глава четвертая

Отражательный телескоп Ньютона
и
Королевское Общество в Лондоне

(1668-1672)

Университетская жизнь Ньютона началась в те годы, когда ученый мир Европы не мог еще прийти в себя oт потрясающего впечатления, произведенного астрономическими открытиями Галилея, сделанными в 1609-1610 гг. при помощи его телескопа. До Галилея в течение тысячелетий наука описывала явления, объясняла их и приводила иногда к построению полезных приборов и машин. Галилей впервые показал, что наука способна к большему, к открытию новых, нежданных явлений, необычайно расширяющих известную нам природу. Поэтому Галилея сравнивали с Колумбом и даже с богом - творцом, создающим мир, ранее не известный.

Галилей достиг этого при помощи трубы с выпуклой и вогнутой линзами. Не удивительно поэтому, что астрономы, физики, математики с увлечением принялись за усовершенствование телескопа. Шлифовка и полировка стекол, конструирование машин для обработки стекла по сферическим и несферическим поверхностям, разработка геометрической оптики преломляющих сред и различные способы улучшения телескопов - это постоянные темы занятий ученых разных специальностей в XVII в.

Лучи от светящейся точки в сферической линзе конечной толщины, кривизны и размеров не могут сойтись в одной точке, а пересекаются по целой поверхности, это явление есть необходимое свойство шаровой поверхности, а поэтому называется “сферической аберрацией” [12]. В наше время известно, что такую аберрацию можно значительно уменьшить, если применять систему линз, ограниченных шаровыми поверхностями различной кривизны. Этим способом получаются современные широкоугольные и светосильные объективы, работающие в очень невыгодных условиях и вместе с тем дающие хорошо “исправленные” изображения.

В XVII в. этого не знали; кроме того, для улучшения телескопов сферическая аберрация может быть значительно понижена увеличением длины трубы: она убывает по мере вырастания фокуса объектива. Поэтому строились и предлагались чрезвычайно длинные системы. Во Франции проектировался, например, телескоп больше 30 метров длины. Другой выход из затруднения искали в замене шара более сложными поверхностями - эллипсоидом, параболоидом, гиперболоидом. Такие поверхности на основании принципов геометрической оптики позволяли получать изображение без аберраций.

После сказанного не удивительно, что уже в 1664 г. мы застаем Ньютона-студента за работой по улучшению телескопа. Ньютон, по его свидетельству, в 1666 г. занялся собственноручным изготовлением несферических стекол. Задача эта остается очень трудной и в настоящее время. Можно вообразить поэтому, какие препятствия приходилось преодолевать Ньютону и его современникам! Какие-то несферические линзы все же были получены; о качестве их сведений нет.

Ньютон через некоторое время (вероятно через 1-2 года) прекратил эту трудную работу, убедившись, что главные ошибки в изображении получаются не от сферической аберрации, а от радужного окаймления, неизбежно сопровождающего изображение точки как в сферических, так и в несферических линзах. В 1669 г. в своих “Лекциях по оптике” Ньютон такими словами излагал слушателям положение дела:

“Изучающие диоптрику воображают, что зрительные приборы могут быть доведены до любой степени совершенства при помощи стекла, если полировкой сообщить ему желаемую геометрическую фигуру. Для этой цели придуманы были разные инструменты для притирания стекол по гиперболическим, а также параболическим фигурам, однако точное изготовление таких фигур до сих пор никому не удалось, ибо работали понапрасну. И вот для того, чтобы не тратили далее труд свой на безнадежное дело, осмеливаюсь я предупредить, что, если бы даже все происходило удачно, все же полученное не отвечало бы ожиданиям. Ибо стекла, коим дали бы фигуры наилучшие, какие для этой цели можно придумать, не будут действовать и вдвое лучше сферических зеркал, полированных с той же точностью.

Говорю это не для осуждения авторов-оптиков, ибо все они в отношении задачи своих доказательств высказывались точно и вполне правильно. Однако нечто и притом очень важное было оставлено ими для открытия потомкам. Так, я обнаружил в преломлениях некую неправильность, искажающую все. Она вызывает не только недостаточное превосходство конических сечений над сферическими фигурами, но и служит причиной того, что сферические фигуры дают много меньше, чем если бы сказанное преломление было однородным”.

Этот вывод определил два направления дальнейшей деятельности Ньютона. Одно - работа над телескопом с отражающим сферическим зеркалом, другое - исследование причин хроматической аберрации. Конечно, хроматическую аберрацию знали и до Ньютона, для этого достаточно было посмотреть в зрительную трубу на светящуюся точку. Но никому до него не приходило в голову связать ее с неотчетливостью изображений в трубе, никто не ставил до Ньютона вопроса об ее причине и никто не искал практического выхода в отражательном телескопе. Одна постановка таких вопросов и в таком сочетании подымала Ньютона над всеми оптиками - его современниками.

Несомненно, что мысль о возможности построения телескопа с вогнутым сферическим зеркалом, вместо стеклянного объектива, возникла у Ньютона вполне самостоятельно, но она вовсе не была новой. Еще при жизни Галилея среди его друзей и учеников отражательные телескопы обсуждались неоднократно, лет за сорок до Ньютона, как видно из переписки Галилея. В 1626 г. есть, например, упоминание о таком инструменте, построенном неким Чезаре Караваджи. Отражательным телескопом занимался ученик Галилея, знаменитый математик Бонавентура Кавальери, один из предшественников Ньютона в области исчисления бесконечно малых. Впрочем вывод Кавальери был очень неблагоприятен для рефлекторов:

“Я полагаю, - писал он в 1632 г., - что они никогда не дойдут до совершенства труб со стеклами, строить ли их из сочетания с зеркалами, или вместе с линзами. В этом может удостовериться всякий, кто произведет испытание”.

Были и другие изобретатели рефлекторов. Приступив к осуществлению своего инструмента, Ньютон вскоре, по его словам, обнаружил, что проект отражательной трубы был предложен до него еще в 1663 г. Грегори в книге “Optica promota”, и признавал впоследствии печатно, что ему принадлежит лишь честь выполнения первого такого прибора.

В результате упорного труда и опытов над изготовлением сплавов и над полировкой металлических поверхностей Ньютону в 1668 г. удалось построить первую модель телескопа-рефлектора длиною всего в 15 см и с зеркалом в 25 мм в диаметре. Этот телескоп-лилипут действовал, однако, не хуже длинных рефлекторов того времени, в него можно было видеть спутников Юпитера. Однако вследствие несовершенства сплава, из которого было изготовлено зеркало, и неудовлетворительной полировки, изображения были тусклыми и размытыми.
 

Рис. 9. Телескоп-рефлектор Ньютона, хранящийся в Королевском Обществе в Лондоне.	Рис. 10. Схема телескопа-рефлектора Ньютона, из которой ясна механическая конструкция прибора.

К 1671 г. Ньютон успел построить второй прибор больших размеров и лучшего качества. Внешний вид его изображен на рис. 9, на схеме рис. 10 штриховыми линиями указан ход лучей в приборе. Из рисунков ясны также механические части прибора. Прибор сохранился в коллекции Лондонского Королевского Общества.

Поучительно внимательно всмотреться и вдуматься в этот прибор. Он был результатом большого экспериментального искусства и терпения. Каждая деталь в нем возникала как итог исследования и труда. Ньютон долго искал подходящий сплав для зеркала и перепробовал многочисленные рецепты. В письме от 29 сентября 1671 г. секретарю Королевского Общества Ольденбургу Ньютон писал, например, следующие строки, живо воскрешающие перед нами образ Ньютона-химика и металлурга:

“Сначала я расплавил одну медь, затем положил туда мышьяк и, сплавив несколько, размешал все вместе, остерегаясь вдыхать ядовитый дым. Затем добавил олова и снова, после очень быстрого расплавления его, все перемешал. После этого сразу все вылил”.

Много лет спустя в своей “Оптике” Ньютон подробно описал выработанный им способ полировки металла для зеркала:

“Полировка, которой я пользовался, - писал он, - была такого рода. Я имел две круглых медных пластинки, шесть дюймов в диаметре каждая, одну выпуклую, другую вогнутую, точно притертые одна к другой. К выпуклой пластинке я притирал металл объектива, или вогнутое зеркало, которое нужно было полировать до тех пор, пока оно принимало форму выпуклой пластинки и было готово к полировке.

Затем я покрывал выпуклый металл очень тонким слоем смолы, капая расплавленной смолой на металл и нагревая его; чтобы сохранить смолу мягкой, в это время я притирал ее вогнутой медной пластинкой, смоченной для того, чтобы распределить смолу поровну по всей поверхности...

Затем я брал очень тонкую золу, отмытую от больших частиц, и, положив немного ее на смолу, притирал к смоле вогнутой медью до тех пор, пока не прекращался шорох; после этого я притирал быстрым движением металл объектива к смоле в течение двух или трех минут, сильно на него нажимая.

Далее, я насыпал на смолу свежей золы, притирал ее снова до исчезновения шума и после этого, как и прежде, притирал объективный металл. Эту работу я повторял до тех пор, пока металл не отполировался, притирая его напоследок со всей моей силой в течение изрядного времени и часто дыша на смолу для того, чтобы держать ее сырой, не подсыпая свежей золы”.

Надо заметить, что эти приемы полировки были результатом собственного опыта Ньютона, и что ему приходилось переучивать искуснейших лондонских мастеров-полировщиков. Не известно, по собственному ли почину или по инициативе других лиц осенью 1671 г. Ньютон послал свой телескоп на усмотрение короля.

В те годы телескопы были модны не меньше “философского камня”, ими интересовались самые широкие круги населения. Весть о том, что в Кэмбридже какой-то изобретатель построил телескоп совсем новой конструкции, достигла Лондона и, может быть, дошла и до короля. Присланный маленький телескоп был осмотрен Карлом II и членами недавно утвержденного (1662) Королевского Общества - Гуком, Реном, математиком и знаменитым строителем собора Св. Павла в Лондоне, и другими. Инструмент получил полное одобрение, и 11 января Ньютон был избран в члены Общества.

Королевское Общество в Лондоне - одно из самых славных научных обществ в мире, продолжающее интенсивную работу и в наше время. Оно получило официальную санкцию как раз в студенческие годы Ньютона и, следовательно, было в то время совсем молодым рождением. Общество возникло из частного, почти конспиративного кружка, который Бойль называл “Невидимой коллегией”; он образовался в тревожное революционное время в 1645 г. в Лондоне из любителей естественных наук.

Такие кружки, академии и общества были характерны для поздней эпохи Возрождения. Особенно много их было в Италии (Академия деи Линчеи в Риме, Академия даль Чименто во Флоренции и пр.). Главная цель Общества состояла в развитии нового экспериментального метода, а потому демонстрация различных новых явлений и приборов составляла одно из основных занятий еженедельных заседаний. Скоро членами Общества стали многие выдающиеся ученые и деятели эпохи. На рис. 12 воспроизведен список почетных и действительных членов Общества, предназначавшийся для выборов из них десяти членов Совета Общества 30 ноября 1671 г., совсем незадолго до избрания Ньютона в члены Общества. На ряду с громкими именами принцев, герцога Букингемского и пр., в этом списке мы видим подлинно блестящие имена Барроу, Бойля, Грегори, астронома Гевелиуса, Гука, Гюйгенса, философа Локка, математика Уоллиса, архитектора Рена и др.

Рис. 12. Список членов Королевского Общества в 1671 г.

Считаясь со славной репутацией частного кружка, Карл II в 1662 г. дал ему титул “Королевского Общества” и многие научные и имущественные привилегии. Общество получило герб с характерным девизом неверующего апостола Фомы: “Nullius in verba” (приблизительно: “словам не верю”). Общество больше чем какие-либо иные европейские научные организации послужило образцом для научных академий, учреждение которых стало в конце XVII и в XVIII в. своего рода “хорошим тоном” для европейских государств. В России, только что “прорубившей окно в Европу”, велением Петра I в 1724 г. была основана, а в 1725 г. фактически начала работу “Санкт-петербургская Императорская Академия Наук” - русский отзвук на возникновение Королевского Общества.

Королевское Общество стало основной ареной научной борьбы и научных побед Ньютона. С 30 ноября 1703 г. и до конца своей жизни Ньютон был президентом этого Общества.

Телескоп Ньютона быстро стал предметом национальной гордости в Англии и любимым прибором английских астрономов. Много усилий было затрачено на его усовершенствование Гадлеем при жизни автора. Сам Ньютон по крайней мере еще лет десять продолжал работать над инструментом. В “Оптике” он упоминает, что в 1681-1682 гг. пытался заменить металлическое зеркало стеклянным мениском, покрытым ртутью с выпуклой стороны.

Очень успешное применение для важнейших астрономических открытий телескоп-рефлектор получил в руках В. Гершеля, построившего в 1789 г. инструмент, зеркало которого имело диаметр в 122 см [13].

"Большой 20-футовый рефлектор", законченный Гершелем в 1783 г., имел первичное зеркало диаметром 18дюймов (~46 см). Хотя телескоп сначала был задуман как ньютоновский рефлектор с небольшим плоским зеркалом, отражающим изображение к расположенному сбоку окуляру, Гершель не мог смириться с потерей  света, происходящей при отражении. Он убрал небольшое зеркало и, закрепив окуляр на верхней кромке трубы непосредственно в фокусе телескопа, вел наблюдения через окуляр в направлении главного зеркала телескопа.

В XIX в. лорд Росс построил еще больший рефлектор с зеркалом, диаметр которого достигал 182 см. При помощи этой трубы были, в частности, открыты спиральные туманности, т. е. новые вселенные, равноправные нашей Галактике.

В 1917 г. в США на Моунт-Вильсон был установлен новый громадный рефлектор работы Ричи с зеркалом диаметром 2,5 м. С этим инструментом сделаны наиболее замечательные астрономические открытия последних лет (например, универсальное смещение спектральных линий в красную сторону спектра в спиральных туманностях, возрастающее прямо пропорционально расстоянию этих туманностей от Галактики).

Наконец, в 1940 г. закончен постройкой колоссальный телескоп-рефлектор на обсерватории Моунт-Паломар в США с пятиметровым зеркалом. Вторая мировая война задержала испытание нового прибора, его пришлось спрятать в глубокое подземелье от возможных японских авиационных бомб. Диаметр зеркала нового телескопа в 200 раз больше, чем в ньютоновом приборе, а его площадь, т.е. энергия, собираемая инструментом, в (200)² = 40 000 раз превосходит площадь зеркала Ньютона. Различные соображения оптического и конструктивного характера давно привели к выводу, что практически почти невозможно и во всяком случае нерационально строить телескопы-рефракторы с диаметрами больше одного метра; поэтому для всех задач астрономии, для решения которых нужны телескопы с большими отверстиями, рефлектор остается единственным решением. Успех Ньютона был не временным и не случайным, его инструмент предопределил на несколько веков одну из главных линий развития инструментальной астрономии.
 

Рис. 11. Схема отражательного микроскопа Ньютона.

Представляя свой телескоп, Ньютон упомянул и о возможности построения отражательного микроскопа. Ньютонова схема такого микроскопа изображена на рис. 13. Отражательный микроскоп был построен в 1827 г. итальянским оптиком Амичи, однако до недавнего прошлого он не имел практического значения, так как исправленные на хроматическую аберрацию стеклянные объективы микроскопа (так называемые ахроматы и апохроматы) имели значительные преимущества. Только за последнее время, когда возникла надобность в микроскопах, работающих без перефокусировки в любых областях спектра, в частности в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах, пришлось снова вернуться к отражательным микрообъективам. Такие объективы построены недавно Ленинградским Государственным Оптическим Институтом.

Телескоп Ньютона можно назвать увертюрой ко всей его дальнейшей деятельности.

Как в увертюре, предшествующей большой музыкальной пьесе, переплетаются основные мотивы этой пьесы, так в телескопе Ньютона можно проследить истоки почти всех главных направлений его дальнейшей научной мысли и работы.

Обход хроматической аберрации был началом всех оптических исследований Ньютона, поиски подходящего сплава для зеркал, вероятно, в не малой степени помогли дальнейшим химическим поискам Ньютона и компетентному управлению Монетным двором. Прямая цель телескопа - звездное небо - привлекла Ньютона к основным задачам небесной механики и астрономии. Наконец, бесполезные хлопоты с несферическими поверхностями, предшествующие рефлектору, неизбежно связывались с геометрией конических сечений и с общими задачами анализа.

Вслед за этой увертюрой-телескопом открывались последовательно важнейшие фазы научной жизни Ньютона. Уже через неделю после принятия его в члены Королевского Общества Ньютон пишет следующие знаменательные строки секретарю Общества Ольденбургу:

“Нельзя ли сообщить мне в Вашем ближайшем письме, сколько времени будут еще продолжаться еженедельные собрания Общества, ибо я рассчитываю представить Королевскому Обществу на апробацию сообщение об одном физическом открытии, которое и привело меня к построению телескопа. Я не сомневаюсь, что этот доклад будет приятнее, чем сообщение о приборе; ибо, по моему суждению, дело идет о примечательнейшем, если не важнейшем открытии, которые когда-либо делались относительно действий природы”.

6 февраля 1672 г. в заседании Общества и был прочтён доклад Ньютона под заглавием “Новая теория света и цветов”.