12. Оптические приборы

Особо надо было бы говорить о работах Ломоносова в области оптики. Скажем лишь о его конструкторских работах, имеющих близкое отношение к астрономии. Любопытно отметить, что один из первых его «спесименов»¹, представленный в Академию в 1741 г., касался оптики: Commetatio de instrumento caustico catoptrico-dioptrico («Рассуждение о зажигательном катоптрикодиоптрическом инструменте»². Этот спесимен был прочитан многими членами Академии — «от всех профессоров оной Конференции так апробован, что сей специмен и в печать произвести можно», и было постановлено: «...быть ему Ломоносову адъюнктом физического класса». В этом сочинении описан катоптрико-диоптрический (зажигательный) инструмент (солнечная печь), состоящий из семи плоских зеркал и восьми двояковыпуклых линз, которые располагались так (рис. 19), чтобы отбрасывать солнечные лучи примерно в одну точку, где должно было помещаться какое-либо расплавляемое или горючее вещество³. Располагая в этой точке источник света, можно было бы с этим прибором получить параллельный пучок (схема прожектора). Через 17 лет Академическая конференция вновь заинтересовалась изобретением Ломоносова и, обсудив его, постановила изготовить прибор и испытать его (Протоколы, том II, с. 414).

13 мая 1756 г. Ломоносов показывал на заседании Конференции «машину для сгущения света», построенную, чтобы «различать в ночное время скалы и корабли». Присутствовавшие Гришов и Попов не нашли в изобретении Ломоносова ничего нового. Это было начало долгого спора, о котором будет сказано немного ниже.

Позднее для обозначения «машины для сгущения света» употребляется название «ночезрительная труба» или «ночегляд». В рапорте о своих трудах за 1756 г. Ломоносов пишет: «...изобретен мной новый оптический инструмент, который назвал я никтоптической трубой (tubus nyctopticus); оной должен к тому, чтобы ночью видеть можно было. Первый опыт показывает на сумерках ясно те вещи, которые простым глазом не видны, и весьма надеяться можно, что старанием искусных мастеров может простереться до такого совершенства, какого ныне достигли телескопы и микроскопы от малого начала».

Рис. 19. Проект зажигательного катоптрико-диоптрического инструмента Ломоносова

Ломоносов описал кеплерову трубу длиной около двух футов с объективом в виде двояковыпуклой светосильной линзы около четырех дюймов диаметром и также двояковыпуклыми линзами разных размеров и фокусных расстояний в качестве окуляров. В рукописи находится набросок Ломоносова «двухлинзовой машины» (рис. 20); он воспроизводится здесь без некоторых линий, которыми Ломоносов зачеркнул рисунок.

Труба предназначалась для ночных наблюдений за кораблями и скалами на море. Считая эту тему практически важной, Ломоносов, несмотря на противодействие некоторых академиков, вновь и вновь (в 1757, 1758 и 1763 гг.) возвращается к ней. В 1758 г. Ломоносов представил на латинском языке сочинение «Физическая задача о ночезрительной трубе», которое стало поводом для нового большого научного спора. Противники Ломоносова, из которых главными были академик С.Я. Румовский и уже упоминавшийся Франц Эпинус, основывали свои соображения против ночезрительной трубы на том, что никакой оптический инструмент не увеличивает контрастности изображения и, следовательно, не может, как этого хотел Ломоносов, заставить «видеть явственно предметы в темном месте, не совсем лишенном света». Эти соображения в течение почти двух сотен лет считались верными, а труба Ломоносова почиталась ошибкой, недоразумением. Однако новейшие исследования в области физиологии зрения показали справедливость ломоносовского рассуждения о «ночезрительной трубе». Оказалось, что свойства сетчатки глаза при слабом освещении меняются — дневное зрение сменяется ночным зрением, в сотни тысяч раз более чувствительным. Употребление подзорной трубы, увеличивая разрешающую силу глаза, увеличивает и воспринимаемую яркость предмета. В трубе мы различаем объекты, для невооруженного глаза сливающиеся с фоном. Как указывал академик С.И. Вавилов, в дни Великой Отечественной войны ночезрительные бинокли с большим увеличением успешно употреблялись для ночных наблюдений за вражескими самолетами, освещенными прожекторами. Дальность действия прожектора при наблюдении за самолетом повышалась примерно в полтора раза при применении этих труб. «Ломоносов был прав, интуитивно догадываясь о специфичности действия увеличения трубы в ночных условиях» (Ломоносов: Сборник статей и материалов, 1946, т. II, с. 77).

Рис. 20. Рисунок М.В. Ломоносова к проекту «ночезрительной трубы». Видны далеко выдающиеся части трубы, несущей объектив (точки A и B), предназначенные для его защиты от рассеянного света, падающего сбоку. Ее называют теперь наросником, так как он защищает объектив и от росы

К этому можно добавить, что 21 июня 1759 г. Ломоносов с огорчением и досадой демонстрировал в Академии наук недавно привезенную из Англии трубу, точь-в-точь такую, какова должна была быть изобретенная им «ночезрительная труба». По этому поводу он писал И.И. Шувалову⁴: «...должен я при первом случае объявить в ученом свете все новые мои изобретения ради славы отечества, дабы не воспоследовало с ними того же, что с ночезрительной трубой случилось».

К своей идее «ночегляда» Ломоносов возвращается несколько раз в последующие годы, о чем имеется ряд записей в его «Химических и оптических записках». Особыми зрительными трубками «для сумрачного времени» Ломоносов снабдил в 1765 г. полярную экспедицию В. Чичагова.

Рис. 21. Чертеж М.В. Ломоносова схемы его отражательного телескопа с наклонным зеркалом

В 1760—1761 гг. Ломоносовым была сконструирована и построена «большая неподвижная небесная труба для улавливания звезд путем отражения от металлического зеркала». Это подвижное зеркало могло вращаться так, чтобы всегда направлять в объектив трубы параллельно ее оси лучи от любой звезды. Такого рода неподвижные телескопы с сидеростатами (подвижными зеркалами) были осуществлены лишь во второй половине XIX в.

В лабораторных журналах Ломоносова имеются также записи, свидетельствующие о его многочисленных опытах изготовления оптического стекла и отливках сплавов для металлических зеркал.

Рис. 22. Система телескопа Ньютона, видоизмененная М.В. Ломоносовым применением наклонного зеркала («Новое изобретение. Поправление невтонианской трубки по-моему»)

В 1762 г. Ломоносов написал «Речь об усовершенствовании зрительных труб»⁵. Эта «Речь» касалась новой конструкции отражательного телескопа. Взамен систем Ньютона и Грегори⁶, в которых отражение от вспомогательного зеркала отнимает часть света и уменьшает четкость изображения, Ломоносов предлагает свою оптическую систему, в которой наклонно (всего на 4°) расположенное основное зеркало устраняет необходимость во вспомогательном плоском зеркале. Это предложение Ломоносова было особенно рационально в силу того, что в его время не умели изготовлять плоских зеркал с достаточной точностью.

Описывая свое новое изобретение, Ломоносов указывает: «Новоизобретенная мною катадиоптрическая зрительная труба тем должна быть превосходнее невтонианской и Грегорианской, что 1) работы меньше, для того, что малого зеркала ненадобно; а потом 2) и дешевле, 3) не загороживает большово зеркала и свету неумаляет; 4) не так легко может испортиться, как вышеописанные, а особливо в дороге, 5) нетупеют и непутаются в малом зеркале (коего нет, и ненадобно) лучи солнечные, и тем ясность и чистота умножаются»... «Изобретен мной новый род катадиоптрической трубы об одном большом зеркале без малого, который ежели к совершенству приведен будет, то превзойдет простотой и чистотой известные поныне таковые инструменты, и будет служить к чести Академии».

Рис. 23. Система телескопа Грегори, видоизмененная М.В. Ломоносовым введением наклонного зеркала («Зеркальный телескоп, составленный из ньютонова, грегорианского и моего, a — объективное зеркало; b — плоское отражательное зеркало; d — линза, воспринимающая и собирающая лучи в фокус и направляющая их до самого основания зеркала; e — линза, делающая лучи параллельными; f — глаз»)

Ломоносов изготовил телескоп с наклонным зеркалом и, испытав его, пришел к выводу, что «изобретение произошло в действие с желаемым успехом». В дальнейшем он предложил свои варианты систем телескопов Ньютона и Грегори, применив к ним идею наклонного зеркала (рис. 22, 23). Он вынес малые зеркала за пределы пучка лучей, падающих на главное зеркало, и избавился тем самым от излишних потерь света. Можно указать, что систему телескопа с наклонным зеркалом впоследствии также осуществил английский астроном и оптик В. Гершель (1787 г.), и она, без достаточных оснований, в зарубежной литературе называется системой Гершеля. Известно, что Ломоносовым было изготовлено не менее десяти принципиально новых оптических приборов, но, к сожалению, до нас не дошли не только сами инструменты, но оказались утраченными даже чертежи.

В весьма обстоятельном исследовании работ М.В. Ломоносова по конструированию и изготовлению телескопов Д.Н. Пономарев (см. Список литературы) отмечает, что Ломоносов является подлинным автором идеи метода исследования изготовленного зеркала или объектива (если речь идет о рефракторе) — метода, получившего в начале XX в. название метода Гартмана. Вот как Ломоносов описывает «диафрагму Гартмана»: «В черной бумаге, по площади равной зеркалу, делаются отверстия вдоль диаметра на различных расстояниях от центра, покрывают ею зеркало и выставляют его против Солнца или другого светящегося тела; пути света, сходясь, покажут фокус» (Полн. собр. соч., т. IV, с. 430). Разумеется, до использования такой диафрагмы для контроля качества изготовления оптической поверхности и для выявления зональных ошибок еще далеко, но основная мысль Ломоносова была очень плодотворной.

Примечания

1. «Спесимен» — в буквальном переводе означает образчик — так именовались сочинения, показывавшие успехи в науках студентов Академии в XVIII в.

2. Опубликовано впервые в 1950 г. в I томе Полн. собр. соч., издаваемого АН СССР.

3. Прибор этот был изобретен М.В. Ломоносовым с целью ввести в область химии физические приборы и методы.

4. Письмо от 8 июля 1759 г. (Полн. собр. соч.: Часть первая. — СПб., 1794, с. 340; Сочинения, 1948, т. VIII, с. 207).

5. Сочинения, 1902, т. V, с. 129—136 (латинский текст), русский перевод там же, с. 88—95 примечаний.

6. Джеймс Грегори (1638—1675) — английский математик, автор особой конструкции отражательного телескопа.