Jeśli się nad tym zastanowić, to wynalezienie pierwszego teleskopu było kwestią czasu. Ludzie od tysiącleci fascynują się kryształami. Wiele kryształów - na przykład kwarc - jest całkowicie przezroczystych. Inne - rubiny - pochłaniają niektóre częstotliwości światła i przekazują inne. Kształtowanie kryształów w kule można wykonać przez cięcie, bębnowanie i polerowanie - usuwa to ostre krawędzie i zaokrągla powierzchnię. Rozcinanie kryształu zaczyna się od znalezienia wady. Utworzenie półkuli - lub segmentu kryształu - tworzy dwie różne powierzchnie. Światło jest zbierane przez wypukłą powierzchnię przednią i rzutowane w kierunku punktu zbieżności przez płaską powierzchnię przednią. Ponieważ segmenty kryształu mają ostre krzywe, punkt skupienia może znajdować się bardzo blisko samego kryształu. Ze względu na krótkie ogniskowe segmenty kryształów stanowią lepsze mikroskopy niż teleskopy.
To nie segment kryształów - tylko soczewka szklana - umożliwiły nowoczesne teleskopy. Wypukłe soczewki wyszły ze szklanego podłoża, aby skorygować widzenie z daleka. Chociaż zarówno okulary, jak i segmenty kryształowe są wypukłe, dalekowzroczne soczewki mają mniej ostre krzywe. Promienie światła są tylko nieznacznie wygięte w stosunku do równoległości. Z tego powodu punkt, w którym zdjęcie nabiera kształtu, jest znacznie dalej od obiektywu. Dzięki temu skala obrazu jest wystarczająco duża, aby przeprowadzić szczegółową kontrolę człowieka.
Pierwsze użycie soczewek do powiększania wzroku sięga Bliskiego Wschodu XI wieku. Arabski tekst (Thes Optuse Thesaurus napisany przez naukowca-matematyka Al-Hazena) zauważa, że segmenty kryształowych kul można wykorzystać do powiększania małych obiektów. Pod koniec XIII wieku mówi się, że angielski mnich (prawdopodobnie nawiązujący do Perspektywy Rogera Bacona z 1267 roku) stworzył pierwsze praktyczne okulary, które mają pomóc w czytaniu Biblii. Dopiero w 1440 r. Mikołaj z Cusa uziemił pierwszą soczewkę, by skorygować krótkowzroczność -1. I minęłyby kolejne cztery wieki, zanim defekty w samym kształcie soczewki (astygmatyzm) byłyby wspomagane przez zestaw okularów. (Dokonał tego brytyjski astronom George Airy w 1827 r. Około 220 lat po innym - bardziej znanym astronomie - Johann Kepler po raz pierwszy dokładnie opisał wpływ soczewek na światło.)
Pierwsze teleskopy powstały tuż po tym, jak szlifowanie okularów stało się dobrze znane jako środek do korekcji zarówno krótkowzroczności, jak i prezbiopii. Ponieważ dalekowzroczne soczewki są wypukłe, stanowią dobre „kolektory” światła. Wypukła soczewka bierze równoległe wiązki z pewnej odległości i wygina je do wspólnego punktu ostrości. To tworzy wirtualny obraz w kosmosie - taki, który można dokładniej obejrzeć za pomocą drugiej soczewki. Zaleta soczewki zbierającej jest dwojaka: łączy światło razem (zwiększając jego intensywność) - i wzmacnia skalę obrazu - oba w stopniu potencjalnie znacznie większym niż tylko oko.
Soczewki wklęsłe (używane do korygowania krótkowzroczności) rozpraszają światło na zewnątrz i sprawiają, że rzeczy wydają się mniejsze dla oka. Wklęsła soczewka może zwiększyć ogniskową oka, ilekroć własny układ oka (stała rogówka i soczewka morfująca) nie skupia obrazu na siatkówce. Soczewki wklęsłe stanowią dobre okulary, ponieważ umożliwiają one dokładniejsze sprawdzenie wirtualnego obrazu rzucanego przez wypukłą soczewkę. Jest to możliwe, ponieważ zbieżne promienie z soczewki zbierającej są załamywane w kierunku równoległym przez soczewkę wklęsłą. Efektem jest wyświetlenie pobliskiego obrazu wirtualnego, jakby z dużej odległości. Pojedyncza wklęsła soczewka pozwala na rozluźnienie soczewki oka, jakby skupiona na nieskończoności.
Łączenie soczewek wypukłych i wklęsłych było tylko kwestią czasu. Możemy sobie wyobrazić pierwszą okazję, gdy dzieci bawią się trudem młynka do soczewek w ciągu dnia - lub być może kiedy optyk poczuje się wezwany do sprawdzenia jednej soczewki za pomocą drugiej. Takie doświadczenie musiało wydawać się niemal magiczne: odległa wieża natychmiast wyłania się, jakby zbliżała się na końcu długiego spaceru; nierozpoznawalne postacie nagle stają się bliskimi przyjaciółmi; naturalne granice - takie jak kanały lub rzeki - przeskakują, jakby własne skrzydła Merkurego były przywiązane do uzdrawiania…
Kiedy powstał teleskop, pojawiły się dwa nowe problemy optyczne. Soczewki zbierające światło tworzą zakrzywione obrazy wirtualne. Ta krzywa jest nieco „w kształcie misy” z dnem skierowanym w stronę obserwatora. Jest to oczywiście przeciwieństwo tego, jak oko postrzega świat. Oko bowiem widzi rzeczy tak, jakby ułożone na wielkiej kuli, której środek leży na siatkówce. Trzeba więc coś zrobić, aby przyciągnąć promienie obwodowe z powrotem do oka. Problem ten został częściowo rozwiązany przez astronoma Christiaana Huygensa w latach 50. Zrobił to, łącząc ze sobą kilka soczewek. Zastosowanie dwóch soczewek doprowadziło więcej promieni obwodowych z soczewki zbierającej w kierunku równoległości. Nowy okular Huygen skutecznie spłaszczył obraz i pozwolił oku uzyskać ostrość w szerszym polu widzenia. Ale to pole nadal wywoływałoby klaustrofobię u większości dzisiejszych obserwatorów!
Ostatni problem był trudniejszy - załamujące się soczewki zginają światło w oparciu o długość fali lub częstotliwość. Im większa częstotliwość, tym bardziej konkretny kolor światła jest wygięty. Z tego powodu obiekty wyświetlające światło o różnych kolorach (światło polichromatyczne) nie są widziane w tym samym punkcie ostrości w spektrum elektromagnetycznym. Zasadniczo soczewki działają w sposób podobny do pryzmatów - tworząc rozrzut kolorów, każdy z własnym unikalnym punktem centralnym.
Pierwszy teleskop Galileusza rozwiązał tylko problem, aby oko było wystarczająco blisko, aby powiększyć wirtualny obraz. Jego instrument składał się z dwóch soczewek oddzielonych kontrolowaną odległością w celu ustawienia ostrości. Soczewka obiektywu miała mniej ostrą krzywą do zbierania światła i doprowadzania go do różnych punktów ostrości w zależności od częstotliwości kolorów. Mniejszy obiektyw - posiadający ostrzejszą krzywą o krótszej ogniskowej - pozwolił obserwującemu Galileo zbliżyć się wystarczająco do obrazu, aby zobaczyć powiększone szczegóły.
Ale zakres Galileusza można ustawić tak, aby skupiał się tylko w pobliżu środka pola widzenia okularu. Ostrość można ustawić tylko na podstawie dominującego koloru emitowanego lub odbijanego przez to, co oglądał Galileo w tym czasie. Galileo zwykle obserwował jasne badania - takie jak Księżyc, Wenus i Jowisz - stosując ogranicznik przysłony i był dumny z tego, że wpadł na ten pomysł!
Christiaan Huygens stworzył pierwszy okular Huygenian po czasach Galileusza. Okular składa się z dwóch płasko-wypukłych soczewek skierowanych w stronę soczewki zbierającej - nie jednej soczewki wklęsłej. Płaszczyzna ogniskowa obu soczewek znajduje się między obiektywem a soczewkami oka. Zastosowanie dwóch soczewek spłaszczyło krzywą obrazu - ale tylko w zakresie około widocznego pola widzenia. Od czasów Hugena okulary stały się znacznie bardziej wyrafinowane. Począwszy od tej oryginalnej koncepcji wielości, dzisiejsze okulary mogą dodawać kolejne pół tuzina elementów optycznych o zmienionym kształcie i położeniu. Amatorscy astronomowie mogą teraz kupować okulary z półki, dające względnie płaskie pola przekraczające 80 stopni w pozornej średnicy-2.
Trzeci problem - chromatycznie zabarwione wielokolorowe obrazy - nie został rozwiązany w teleskopie, dopóki działający teleskop z odbłyśnikiem nie został zaprojektowany i zbudowany przez Sir Isaaca Newtona w latach 70. Ten teleskop całkowicie wyeliminował soczewkę zbierającą - choć nadal wymagał użycia okularu ogniotrwałego (który przyczynia się znacznie mniej do „fałszywego koloru” niż obiektyw).
Tymczasem wczesne próby naprawy refraktora miały po prostu wydłużyć je. Opracowano lunety o długości do 140 stóp. Żadna z nich nie miała szczególnie wygórowanych średnic soczewek. Takie wrzecionowate dynasaury wymagały naprawdę odważnego obserwatora, ale „stonowały” problem z kolorem.
Pomimo wyeliminowania błędu koloru, wczesne reflektory również miały problemy. Luneta Newtona wykorzystała kuliste zwierciadło wziernika. W porównaniu do aluminiowej powłoki nowoczesnych lusterek odblaskowych wziernik jest słabym wykonawcą. Około trzech czwartych zdolności aluminium do gromadzenia światła wziernik traci około jednej wielkości w lekkim uścisku. Tak więc sześciocalowy instrument opracowany przez Newtona zachowywał się bardziej jak współczesny 4 calowy model. Ale to nie sprawiło, że instrument Newtona był trudny do sprzedaży, po prostu zapewniał bardzo niską jakość obrazu. A było to spowodowane użyciem sferycznie zmielonego zwierciadła głównego.
Lustro Newtona nie doprowadziło do skupienia wszystkich promieni światła. Usterka nie leżała w wzierniku - leżała w kształcie lustra, które - gdyby było rozciągnięte o 360 stopni - tworzyłoby pełny okrąg. Takie lustro nie jest w stanie doprowadzić środkowych wiązek światła do tego samego punktu ostrości, co te znajdujące się bliżej krawędzi. Dopiero w 1740 roku szkocki John Short rozwiązał ten problem (dla światła osiowego), parabolizując lustro. Krótki dokonał tego w bardzo praktyczny sposób: skoro promienie równoległe bliżej środka lustra sferycznego przekraczają promienie brzeżne, dlaczego nie pogłębić środka i wcisnąć je?
Dopiero w latach 50. XIX wieku srebro zastąpiło wziernik jako lustrzaną powierzchnię z wyboru. Oczywiście ponad 1000 parabolicznych reflektorów wyprodukowanych przez Johna Shorta miało lustra wzierne. Srebro, podobnie jak wziernik, z czasem traci zdolność odbijania do utleniania. W 1930 r. Pierwsze profesjonalne teleskopy były powlekane bardziej wytrzymałym i odblaskowym aluminium. Pomimo tej poprawy małe reflektory dostarczają mniej światła do ogniskowania niż refraktory o porównywalnej aperturze.
W międzyczasie ewoluowały również refraktory. W czasach Johna Shorta optycy odkryli coś, czego Newton nie miał - jak uzyskać czerwone i zielone światło, aby połączyć się we wspólnym punkcie skupienia przez załamanie. Po raz pierwszy dokonał tego Chester Moor Hall w 1725 r., A ćwierć wieku później odkrył go John Dolland. Hall i Dolland połączyli dwie różne soczewki - jedną wypukłą i drugą wklęsłą. Każdy z nich składał się z innego rodzaju szkła (korona i krzemień) inaczej załamującego światło (w oparciu o współczynniki załamania światła). Wypukła soczewka szkła koronowego wykonała natychmiastowe zadanie zebrania światła wszystkich kolorów. To wygięte fotony do wewnątrz. Soczewka ujemna rozrzuciła zbieżną wiązkę lekko na zewnątrz. Tam, gdzie soczewka dodatnia spowodowała przekroczenie ostrości przez czerwone światło, soczewka ujemna spowodowała niedostosowanie czerwieni. Zmieszano czerwoną i zieloną, a oko zobaczyło żółty. Rezultatem był achromatyczny teleskop refraktorowy - typ preferowany przez wielu dzisiejszych astronomów amatorów ze względu na niedrogi, niewielki otwór, szerokie pole, ale - przy krótszych współczynnikach ogniskowych - mniej niż idealna jakość obrazu.
Dopiero w połowie dziewiętnastego wieku optycy zdołali uzyskać niebiesko-fioletowe połączenie ostrości i czerwieni i zieleni. Ten rozwój początkowo wynikał z zastosowania egzotycznych materiałów (mąki) jako elementu dubletowych celów mikroskopów optycznych o dużej mocy - nie teleskopów. Trzyelementowe konstrukcje teleskopów wykorzystujące standardowe typy szkła - trojaczki - rozwiązały problem również około czterdzieści lat później (tuż przed XX wiekiem).
Dzisiejsi astronomowie amatorzy mogą wybierać z szerokiego asortymentu typów lunet i producentów. Nie ma jednego zakresu dla wszystkich niebios, oczu i niebiańskich badań. Kwestie płaskości pola (szczególnie w przypadku szybkich teleskopów Newtona) i mocnych lamp optycznych (związanych z dużymi refraktorami) zostały rozwiązane w nowych konfiguracjach optycznych opracowanych w latach 30. XX wieku. Typy instrumentów - takie jak SCT (teleskop Schmidta-Cassegraina) i MCT (teleskop Maksutowa-Cassegraina) oraz warianty Newtona-eska Schmidta i Maksutowa oraz skośne reflektory - są teraz produkowane w USA i na całym świecie. Każdy typ zakresu opracowano w celu rozwiązania pewnych ważnych problemów lub innych związanych z rozmiarem zakresu, masą, płaskością pola, jakością obrazu, kontrastem, kosztem i przenośnością.
Tymczasem refraktory zajęły centralne miejsce wśród optofili - ludzie chcą najwyższej możliwej jakości obrazu, niezależnie od innych ograniczeń. W pełni apochromatyczne refraktory (z korekcją koloru) zapewniają jedne z najbardziej oszałamiających obrazów dostępnych do obrazowania optycznego, fotograficznego i CCD. Niestety, takie modele ograniczają się do mniejszych otworów ze względu na znacznie wyższe koszty materiałów (egzotyczne kryształy i szkło o niskiej dyspersji), produkcji (należy ukształtować do sześciu powierzchni optycznych) i większe wymagania w zakresie nośności (z powodu ciężkich dysków szklanych ).
Cała dzisiejsza różnorodność typów lunet zaczęła się od odkrycia, że dwie soczewki o nierównomiernej krzywiźnie można podnieść do oka, aby transportować ludzką percepcję na duże odległości. Podobnie jak wiele wielkich postępów technologicznych, współczesny teleskop astronomiczny wyłonił się z trzech podstawowych składników: konieczności, wyobraźni oraz rosnącego zrozumienia sposobu interakcji energii i materii.
Skąd więc pochodzi współczesny teleskop astronomiczny? Z pewnością teleskop przeszedł długi okres ciągłej poprawy. Ale być może teleskop jest w istocie darem samego Wszechświata, który cieszy się głębokim podziwem przez ludzkie oczy, serca i umysły…
-1 istnieją pytania, kto pierwszy stworzył okulary korygujące dalekowzrocznych i krótkowzrocznych przeciwników. Jest mało prawdopodobne, aby Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham lub Roger Bacon kiedykolwiek używali soczewek w ten sposób. Mylące jest pytanie o pochodzenie. Pytanie dotyczy sposobu noszenia okularów. Najprawdopodobniej pierwsza pomoc wizualna została po prostu przyłożona do oczu jako monokl - stąd konieczność przejmowania. Ale czy taka prymitywna metoda byłaby historycznie opisywana jako „początek spektaklu”?
-2 Zdolność konkretnego okularu do kompensacji koniecznie zakrzywionego obrazu wirtualnego jest zasadniczo ograniczona przez efektywny współczynnik ogniskowej i architekturę zasięgu. Dlatego teleskopy, których ogniskowa jest wielokrotnie większa niż ich apertura, prezentują mniej chwilowej krzywej na „płaszczyźnie obrazu”. Tymczasem lunety, które początkowo załamują światło (zarówno katadioptyczne, jak i refraktory), mają tę zaletę, że lepiej radzą sobie ze światłem pozaosiowym. Oba czynniki zwiększają promień krzywizny wyświetlanego obrazu i upraszczają zadanie okularu polegające na przedstawieniu oka płaskiego pola.
O autorze:
Zainspirowany arcydziełem z początku XX wieku: „Niebo przez trzy, cztery i pięć cali teleskopów”, Jeff Barbour rozpoczął naukę astronomii i nauk o kosmosie w wieku siedmiu lat. Obecnie Jeff poświęca wiele czasu na obserwowanie nieba i utrzymanie strony internetowej Astro.Geekjoy.
