Гюйгенс. Волновая теория света. В погоне за лучом - Давид Бланко Ласерна

Христиан Гюйгенс

Внеся небольшие изменения в свою модель, Гюйгенс предсказал последующие изменения Сатурна с точностью, не имеющей аналогов. Даже Фабри не мог отрицать очевидное. Перед тем как отказаться от своей теории, он даже любезно заметил, что, прочитав Systema Satumium, уже не мог не видеть кольцо всякий раз, глядя на Сатурн. Труд Гюйгенса расширил человеческие представления, и наш разум наконец-то смог различить на небосводе кольцо. Дивини оказался менее гибким и не признавал существования кольца до тех пор, пока не увидел его собственными глазами при помощи телескопа, сконструированного его братом.

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕЛЕСКОПОВ

Поскольку объектив проецирует изображение внутрь телескопа, этим изображением можно манипулировать до того, как его увеличит окуляр. Гюйгенс использовал это обстоятельство, чтобы внести в конструкцию инструмента два важных улучшения. Галилей в свое время уже понял, что, прикрыв кружком бумаги край объектива (где скапливаются все дефекты ручной обработки линз и артефакты сферической аберрации), можно получить менее яркое, но более четкое изображение. Оптимальные размеры кружка он определил опытным путем, а Гюйгенс сделал то же самое, используя математический подход. При этом голландец обнаружил, что лучше помещать кружок не на сам диск, а на изображение, им порожденное. Таким образом частично исправлялась и хроматическая аберрация.

Микрометр

В начале 1640-х годов астроном-любитель Уильям Гаскойн с удивлением увидел в свой микроскоп загадочную сеть, пересекающую поле его зрения. Он видел ее абсолютно четко, но, поднимая взгляд от окуляра, не мог эту сеть найти. Оказалось, что на поверхности, куда объектив проецировал изображение, сплел свою сеть паук. Окуляр увеличил и саму сеть, и ее изображение, сливая их воедино. Вдохновленный этой счастливой случайностью, Гаскойн решил заменить паутину устройством с двумя вертикальными полосами, разделенными градуированным расстоянием (см. рисунок), с помощью которого он мог бы измерять изображения, полученные с помощью телескопа. Так был изобретен микрометр. Гюйгенс тоже думал о похожем устройстве, но пришел к нему без помощи паука: ученому достаточно было глубоких знаний по диоптрике. Микрометр превратил телескоп в измерительный прибор. Если до этого астрономы могли высказывать только субъективные мнения о размерах небесных тел, и эти мнения очень сильно варьировались, то микрометр стал точкой отсчета. Уильям Гаскойн погиб в битве при Марстон-Муре во время Гражданской войны в Англии, так и не успев обнародовать свое открытие, поэтому именно после описания Гюйгенса, приведенного в его Systems Saturnium, микрометр получил распространение в астрономической практике.

Systema Saturnium можно считать достойным продолжением «Звездного вестника» Галилея. Несмотря на свое название, книга не ограничивается описанием Сатурна. Гюйгенс также первым заметил рябь на поверхности Марса. Проследив за смещением Большого Сирта, широкой области из вулканических скал, он понял, что планета вращается вокруг некой оси, и смог установить продолжительность марсианского дня. Ученый также произвел несколько новых наблюдений Юпитера и Туманности Ориона, в которой различил три звезды из числа формирующих ее центральный район, Трапецию. Он описывал туманность как «щель в небе, через которую можно заглянуть дальше, в более светлую область». В Systema Satumium содержатся также удивительно точные оценки размеров Солнечной системы.

РИС. 4

РАЗМЕРЫ МИРА

Масштабные астрономические исследования Коперника и Кеплера позволили создать довольно точные карты Солнца и шести известных на тот момент планет — Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера и Сатурна. Пропорции карты, которую создали ученые, были правильными, но определить ее масштаб они не смогли. Все расстояния выражались в зависимости от одной неизвестной — дистанции между Солнцем и Землей, которую, по мнению Гюйгенса, астрономам не удалось вычислить удовлетворительным образом:

«...оценки расстояния между Землей и Солнцем очень различаются, и это неудивительно, ведь до сих пор не придуман приемлемый способ измерить это расстояние. Они стараются определить его с помощью затмений или фаз Луны, но все эти усилия напрасны».

Как же быть в таком случае? Гюйгенс подошел к вопросу с другой стороны. С помощью микрометра он определил угловой диаметр планет. Эта величина соответствует углу равнобедренного треугольника, сторонами которого являются расстояния от наблюдателя до крайних точек планеты. Третьей стороной служит ее диаметр — словно расстояние между концами воображаемых щипцов, в которых наблюдатель зажал небесное тело (см. рисунок 4).

Гюйгенс начал свои вычисления с Сатурна и определил, что его диаметр равен 68". Взяв карту Солнечной системы, не имеющую масштаба, он доказал, что самое короткое расстояние между Сатурном и Землей равнялось восьми средним расстояниям, отделяющим нас от Солнца. Из этого ученый вывел, что если мы снимем Сатурн с его орбиты и поместим планету рядом с Солнцем, то она будет в восемь раз крупнее обычного. Изменение положения увеличило бы в восемь раз и полученный им угловой диаметр: 68" х 8 = 544" = 9'4". С Земли угловой диаметр Солнца равен 30'30". При помощи двух этих значений углов — одного истинного (касается Солнца) и мнимого (касается перемещенного Сатурна), — которые можно было бы измерить для звезды и для планеты, размещенных на одном и том же расстоянии, ученый смог сравнить их размеры:

Помня о том, что для маленьких углов и для тел, расположенных на одном и том же расстоянии от наблюдателя, отношение их линейных диаметров равно отношению их угловых диаметров, Гюйгенс заключил, что диаметр Сатурна равен 11/37 диаметра Солнца. В этих подсчетах он учитывал и кольцо; без него эта дробь уменьшилась до 5/37. Ту же операцию он проделал для определения размеров Венеры, Марса и Юпитера.

D 1 Солнце D 1 Венера 84 D 1 Марс 166 D 2 Юпитер 11 D 5 Сатурн 37

В Systems Saturnium Гюйгенс представил относительные размеры Солнца и планет в виде оригинальной диаграммы.