Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Имя Цейса сегодня известно сотням миллионов людей, пользующихся фотоаппаратами и биноклями или только мечтающих приобрести оптику фирмы «Карл Цейс, Иена». Но не всем известно, что привело Цейса к славе. Главную роль здесь сыграло то, что делами фирмы занялся именно Аббе. Это очень интересная история.
Карл Цейс родился в 1816 году в семье токаря и после окончания школы четыре года обучался ремеслу у известного оптика и механика Кернера. Затем он около двух лет стажировался в механических и оптических мастерских Берлина и Вены, Дармштадта и Штутгарта. Возвратившись в 1846 году в Иену, он организовал оптико-механическую мастерскую, выпускавшую лупы и микроскопы. В течение двадцати лет это была рядовая фирма, ничем не отличавшаяся от других. Она не имела особой известности и индивидуального лица. Так продолжалось до тех пор, пока
Он решил привлечь к делу науку. Конечно, не могло быть и речи об известном ученом — слишком дорого для небольшой фирмы. Выбор пал на скромного молодого физика. Счастливый выбор. Аббе начал пробу пера на самом сложном изделии фирмы — микроскопе. Фирма выпускала несколько типов микроскопов различного назначения, отличающихся главным образом механической конструкцией и внешним видом. Для них было создано несколько семейств объективов и набор окуляров. Оправы и способы крепления делались стандартными, что позволяло применять все объективы и окуляры в произвольных комбинациях для всех типов микроскопов. Среди объективов были и очень сложные, состоящие из многих линз, закрепленных в общей оправе.
Считалось само собой разумеющимся, что качество изображения определяли стекла объективов, а не окуляры, и, тем более, не механическая часть конструкции. И сам Цейс, и его проектировщики и оптики, естественно, уделяли особое внимание качеству полировки линз и точности изготовления оправ. Они знали, что ошибки при изготовлении линз и оправ ухудшают качество изображения. Поэтому точность была божеством, определявшим процветание фирмы. Аббе обратил внимание не на точность. Он отобрал лучшие из каждого типа объективов, чтобы выяснить, чем они отличаются и что мешает их дальнейшему улучшению. Он приобщил к коллекции и лучшие образцы, производимые другими фирмами. И стал сравнивать их между собой, размышлять, прикидывать разные варианты новых узлов. Постепенно открылись удивительные закономерности. Величина области, за пределами которой изображение искажается, и яркость изображения оказались связаны между собой. Чем больше одно, тем меньше другое». Усложняя объектив для подавления радужных каемок и искривления линий, конструктор платил за это потерей яркости изображения. Все, стремившиеся вслед за Эйлером к созданию идеальных объективов, не придавали этому должного значения. Необъяснимой казалась роль оправ. Лучшие объективы различных типов, собранные в одинаковых оправах, превращались в близких родственников не только по виду, но и по способности воспроизводить мелкие детали.
Поразительный факт — предельная разрешающая способность лучших из лучших объективов оказалась близкой и в существенной мере независимой от других характеристик, если наблюдаемый объект находился вблизи середины поля зрения и его рассматривали через подходящий окуляр. При удалении от середины качество изображения всегда ухудшалось. Конечно, по краям разрешение падало из-за всяческих искажений. Но там, где аберрации были скомпенсированы, все объективы выглядели близнецами. Теория, опирающаяся на авторитеты лучших оптиков и таких математиков, как Гаусс, занимавшихся теорией оптических расчетов, не позволяла понять, почему так происходит.
Аббе занялся поисками объяснения и обратил внимание на то, что, несомненно, видели многие, но чему никто не придавал значения. При большом увеличении мельчайшая точка изображалась хорошим микроскопическим объективом в виде ряда вложенных одна в другую светлых и темных окружностей. Так же выглядели звезды, наблюдаемые при большом увеличении через телескоп. Двойные звезды выглядели двойной системой таких кружков.
Наблюдательность — замечательное достоинство. Без нее невозможно быть хорошим детективом и разведчиком. А ученый — тоже разведчик, действующий на труднейшем фронте, в вечной битве человечества с предрассудками за овладение знаниями. Но для хорошего разведчика недостаточно обладать хорошим зрением. Недопустимо загружать штаб потоком донесений обо всем увиденном. Увидеть — это еще не все, даже не полдела. Ведь каждый из нас постоянно что-то видит, пропуская через свое сознание, как песок сквозь решето, массу впечатлений, зачастую не отделяя новых от старых. Впечатления лишь начинаются в глазах, в ушах, в других органах чувств. Формируются же они в мозгу. Мозг хорошего разведчика, детектива, ученого постоянно настроен на решение стоящей перед ним задачи. Каждое вновь возникающее впечатление сравнивается с другими, с запасом сведений, хранящихся в сознании, с фактами, ушедшими в глубины памяти.
Многие видели эти кружки, некоторых они раздражали. Несомненно, Аббе тоже наблюдал их раньше. Трудно представить, что он не видел их в годы учебы. Но тогда его мозг не был специально настроен. Перед ним не стояла задача, требовавшая постоянной сосредоточенности. Теперь же у него возникла точная ассоциация: такие же кружки нарисовал бы на стене в темной комнате луч света, пробравшийся через маленькое отверстие в ставне. Да, такие кружки возникают при дифракции на малых отверстиях. Так не дифракция ли это? — подумал Аббе. Но в объекте, лежащем перед объективом, нет никаких отверстий…
Увидеть — еще не полдела. Увидеть и сопоставить — пожалуй, уже кое-что. Разведчик вправе доложить: видел, предполагаю. Хороший разведчик доложит не только это: увидел, предполагаю, предлагаю. Аббе оказался на высоте. Он вынул линзы из объектива своего микроскопа и вновь взглянул в него. Система светлых и темных колец была видна по-прежнему, хотя и очень тускло. Итак, виноваты не линзы, делает вывод Аббе. Остается один виновник — диафрагма. Кольца, видимые вместо точечных объектов, — результат дифракции света на диафрагме, ограничивающей пучок света, проходящий через объектив. Если же диафрагма отсутствует, ту же роль играет отверстие в оправе объектива.
Может быть, Аббе ошибался? Слишком легко далась ему разгадка. Нет, главное за него сделали эрудиция и интуиция, которые подсказали, где искать ответ. Остальное досказали простые эксперименты. Роль диафрагмы в формировании изображения чрезвычайно наглядно демонстрируется простейшим опытом. Возьмем в качестве объекта набор малых отверстий, расположенных на пересечениях близких равноотстоящих вертикальных и горизонтальных прямых. Осветим их сзади ярким источником. При помощи линзы получим изображение этих отверстий на экране. Это будет, конечно, соответствующая система ярких точек. Теперь поместим вблизи линзы узкую вертикальную щель. Что будет с изображением? Повернем щель горизонтально. А теперь наклонно, под углом 45 градусов. Надеюсь, большинство читателей дало правильный ответ: во всех случаях точки перестали быть видными. Вертикальная щель сформировала на экране набор ярких горизонтальных линий, горизонтальная щель создала набор вертикальных линий, а наклонная щель создала набор наклонных линий, перпендикулярных щели. Заменив щель малым отверстием, мы получим на экране набор точек, окруженных чередующимися темными и светлыми колечками. Впрочем, может случиться и так, что в центре каждой системы колечек будет не светлая, а темная точка. Из этого следует парадоксальный вывод: вид изображения определяется не линзой, а диафрагмой! Аббе, как это только что сделали и мы, убедился в том, что изображение, получаемое на экране, может радикально отличаться от истинного вида объекта. Причем вид изображения зависит от свойств диафрагмы. Геометрическая оптика, доселе служившая надежной основой расчетов всех оптических инструментов, не могла объяснить этого очевидного факта!
Итак, мнения судей разделились. Вся масса предыдущих опытов свидетельствовала о работоспособности телескопов, микроскопов и очков. Совокупность столь многочисленных и достоверных опытов надежно доказывала правильность геометрической лучевой оптики, ее применимость при расчетах оптических инструментов и построениях оптических изображений в таких инструментах. Один опыт, пока один-единственный опыт, противоречил всем остальным: вид изображения определяется диафрагмой.
Какова же роль линз? Что-то было неблагополучно с геометрической оптикой. Речь шла не о недостаточной точности. Физики и конструкторы знали, что геометрическая оптика позволяет построить чрезвычайно точное изображение, если в построении изображения в реальном приборе, а не на бумаге, участвуют только лучи, идущие под малыми углами к оси прибора. Если не обрезать при помощи диафрагм лучи, идущие более круто к оси, то изображение исказится. Поэтому во всех высококачественных оптических инструментах имеются дополнительные диафрагмы, ограничивающие наклон лучей. В приборах попроще эту роль выполняет оправа объектива.
Речь шла об ином. О совершенно непонятном. Прозорливость Аббе проявилась в том, что он, подобно хорошему детективу, связал неожиданное наблюдение с фактами и обстоятельствами, казалось, очень отдаленными. И, как хороший детектив, потянув за кончик нити, размотал клубок.
Оказалось, что действие диафрагмы в оптических приборах не сводится к геометрическому ограничению пучков лучей. Диафрагма одновременно вызывает дифракцию света. Но дифракция не может быть объяснена при помощи геометрической оптики. Это сфера волновой оптики. Недаром явления дифракции и интерференции привели к победе волновой теории света над корпускулярной теорией. Даже Ньютону, считавшему свет частицами, корпускулами, было ясно, что ему присуща некая внутренняя периодичность.