Развитие геометрической оптики и оптических приборов[1]
Из всех чувств человека зрение глубже других связывает нас с природой, благодаря широте тех возможностей, которые она предоставляет в наше распоряжение. Ни слух, ни обоняние, ни вкус не позволяют нам получать такие подробные и разносторонние сведения о том, что происходит вокруг нас. При этом дальность зрения превышает всякое воображение, позволяя нам протянуть мост к звездам, удаленным от нас на расстояния, для представления о которых приходится создавать особые единицы и понятия (как, например, «световые годы»).
Орган зрения человека и животных возник в результате многих миллионов лет постепенного развития, это – плод тесного взаимодействия между светом и живой материей. Он достиг высокой степени совершенства, которой мы не осознаем в силу привычки. Наоборот, в силу ряда недостатков различного происхождения, о которых будет сказано дальше, мы склонны, недооценивать наш глаз и подвергать его несправедливой критике. Знаменитый физик Гельмгольц высказал мнение, что глаз – плохой инструмент и на месте Бога он создал бы его более совершенным. Более правильным представляется взгляд, что в органе зрения все его качества и недостатки так удачно уравновешиваются, что одно какое-нибудь улучшение повлекло бы за собой полную его перестройку. Мы увидим дальше, что все самые остроумные изобретения человека в области оптики, понимая последнюю в очень широком смысле, в том или ином виде осуществлены в глазу.
Человечество с полным правом гордится современным состоянием фотографии. Но самый совершенный фотоаппарат, снабженный последними достижениями техники, вместе с новейшим фотоматериалом не обладает теми возможностями, которыми располагает человеческий глаз, и все принципы, на основании которых построен и работает фотоаппарат, отражены в зрительной системе глаза.
Многое в этом замечательном механизме еще непостижимо для нас, и можно с уверенностью сказать, что, когда нам удастся вникнуть в еще непонятые свойства глаза, техника оптических приборов будет обогащена новыми усовершенствованиями.
Тем не менее нельзя отрицать, что работа нашего глазного аппарата ограничена со многих сторон. Мы не видим отчетливо ни того, что слишком далеко, ни того, что слишком близко, ни того, что мало освещено, ни того, что освещено излишне ярко; наш глаз чувствителен к очень узкой области спектра, и от него скрыты и инфракрасные и ультрафиолетовые радиации.
Изучение природы света и световых явлений является предметом оптики. Вопросом распространения света в прозрачных средах и в искусственно созданных человеком комбинациях оптических сред – оптических приборах – занимается геометрическая оптика. В ее задачи входит обоснование теории оптических систем, объяснение причин, ограничивающих работу зрительного аппарата, и в результате – выяснение мер, ведущих к увеличению возможностей этого аппарата, к улучшению нашего зрения в широком понимании этого слова. Очки, лупы, микроскопы устраняют дефекты глаза, его недостаток аккомодации и позволяют видеть тела мельчайших размеров; астрономические трубы приближают к нам в сотни и тысячи раз небесные тела; бинокли, стереотрубы увеличивают в несколько раз разрешающую силу наших глаз и ощущение глубины; дальномеры, используя до предела остроту нашего зрительного аппарата, определяют с большой точностью расстояния до далеких предметов. Спектроскопы и спектрографы, разлагая световые радиации на монохроматические составляющие, дают представление об их составе, строении и вместе с тем много сведений об источнике этих радиаций; фотографические аппараты фиксируют, а киноаппараты расчленяют во времени текущие явления и события. Прожекторы, осветители увеличивают освещение незамечаемых вследствие темноты объектов; медицинские оптические инструменты, построенные по такому же принципу, как и перископы, позволяют проникать в человеческое тело, обнаружить и излечить многие болезни.
Оптика развивалась скачкообразно. Будучи одной из самых древних наук, учение о свете начало давать первые конкретные плоды только в XVI в., когда появились первые микроскопы и зрительные трубы. С самых древних времен, о которых мы ничего определенного не знаем, известны такие бросающиеся в глаза факты, как прямолинейное распространение света, преломление и отражение света. Стекло научились плавить с незапамятных времен; изделия из стекла, горного хрусталя и других прозрачных материалов были найдены при раскопках древнейших памятников старины; такие атмосферные явления, как радуга, издавна обращали внимание людей на вопрос о природе света.
У Аристотеля можно найти первые сведения о взглядах древних на световые явления. Они отличаются крайней неопределенностью и сводятся к общим соображениям о том, чем может быть свет: качеством или субстанцией. Аристотель, например, считает, что радуга, галосы[2] и ложные солнца вызываются отражением света от капелек дождя или тумана, создающих несовершенные изображения Солнца, воспроизводящие лишь цвет, но не фигуру его, как результат сложения бесчисленного числа маленьких изображений, образуемых каждой каплей.
Такого же рода расплывчатые соображения можно найти у современников Аристотеля. Очень смутно подозревалось, что зрение каким-то образом связано со светом (Лукреций, Эпикур, Архимед). У Сенеки можно найти указания на увеличивающее действие стеклянных шаров, заполненных водой, но его объяснение этого явления показывает, что философы того времени не имели ни малейшего понятия о связи явления преломления, хорошо им известного, с кажущимся увеличением объектов.
Возможность зажигания различных тел с помощью этих же шаров или линз из горного хрусталя была известна друидам, но это свойство прозрачной материи ни в какой степени не ставилось в связь с преломлением.
Однако ко времени Евклида накопился ряд данных, относящихся к оптическим явлениям, и последний оказался в состоянии написать настоящий трактат по оптике, в котором, между прочим, изучаются изображения, даваемые зеркалами. К этому времени стала яснее связь между светом и зрением, но у физиков преобладало мнение, навеянное аналогией с чувством осязания, что свет распространяется от глаза к наблюдаемому предмету и обратно. Астроном Птолемей (150 г. н. э.) изучал подробно явление преломления и применил результаты своей работы к исследованию атмосферной рефракции.
После падения Римской империи наступил более чем тысячелетний закат научной деятельности в Европе. Арабский геометр Альгазен в XII в. собрал все известные ему материалы по оптике, добавил собственные изыскания и написал ценное произведение, где впервые подробно рассматривался вопрос о зрении и зрительном аппарате и где была создана первая теория процесса зрения; Альгазен также углубился дальше своих предшественников в вопросе рефракции, в частности об атмосферной рефракции. Связь между преломлением и увеличением прозрачных тел, ограниченных выпуклыми поверхностями, для него вполне ясна; можно предположить, что его высказывания на этот счет вызвали появление первых очковых линз. Во всяком случае несомненно, что труды Альгазена создали новую эпоху в развитии оптики, эпоху, прославленную работами Витело, Пеккама, Бэкона (XIII в.), углубивших теорию преломления, обнаруживших (Витело) потерю света при преломлении и отражении, улучшивших теорию радуги, объяснивших мерцание звезд, зажигательное действие зеркал, увеличивающие свойства зеркал и т. д. Бэкон высказал мысль о возможности с помощью зеркал и линз приблизить любые далекие предметы, вследствие чего ему иногда ошибочно приписывают изобретение телескопа.
