Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Таким же образом, есть предел объему деталей, которые можно различить на любом объекте невооруженным глазом. Если вы будете стараться различать все более и более мелкие детали объекта, эти детали (в изображении объекта на вашей сетчатке) станут в конце концов не крупнее, чем точки, из которых состоит само изображение.

Свет от двух точек, разделенных на угловое расстояние, меньше некоего критического, возбуждает одну и ту же клетку сетчатки или, возможно, смежные. В таком случае две точки воспринимаются как одна. Только когда свет от двух точек возбуждает две клетки сетчатки, между которыми находится хотя бы одна невозбужденная клетка, тогда две точки действительно видятся как две. На расстоянии 25 см (обычно именно на этом расстоянии просмотр наиболее удобен) между двумя точками должно быть расстояние, как минимум, 0,01 см, чтобы они воспринимались именно как две разные точки; минимально требуемый для этого угол зрения примерно равен 0,006°.

Разрешающая сила человеческого глаза (то есть его способность видеть две близко расположенные точки как две точки и в целом его способность различать мелкие детали) действительно очень высока, гораздо выше, чем у других видов животных. Тем не менее за пределами разрешающей силы человеческого глаза лежит целый мир деталей, которые были бы для нас недоступны, если бы не линзы.

Предположим, две точки, угол зрения между которыми равен 0,001°, поместили под линзу с увеличением 6. Угол зрения между этими двумя точками возрастет до 0,006°, и они станут видны как две. Без линзы они воспринимались бы как одна. В общем увеличительная линза не просто делает предмет крупнее, она делает его детали доступными глазу.

Чтобы извлечь из этого какую-то выгоду, нужны хорошие линзы с гладкими поверхностями, избавленные от неровностей. Плохо обработанная линза не сохранит порядок преломляемых лучей, и изображение, будучи увеличенным, станет смазанным. Мелкие детали будет размыты и потеряны.

Делать достаточно гладко отшлифованные линзы не умели до XVII века. Голландский мастер Антони ван Левенгук (1632–1723) использовал небольшие куски стекла (легче безупречно обработать маленький, чем большой кусок стекла) и шлифовал их так аккуратно и прилежно, что получал увеличения более чем в 200 раз без потерь деталей. С помощью таких линз он мог видеть капилляры кровеносной системы, красные кровяные тела и сперматозоиды. Что важнее всего, он мог изучать подробности независимых живых существ (простейших одноклеточных) слишком мелких, чтобы их можно было различить невооруженным глазом.

Такие сильные увеличительные линзы называются микроскопами (от греческого слова, означающего «видеть маленькое»). Микроскоп, состоящий из одной линзы, как у Левенгука, является простым микроскопом.

Как бы тщательно не была обработана линза, ее увеличивающей силе есть предел. Для усиления увеличивающей способности линзы надо уменьшить фокусное расстояние, и Левенгук уже использовал самые крошечные фокусные расстояния в своих крошечных линзах. Ожидать дальнейших успехов в этом направлении было бы непрактично.

Однако предположим, что свет с предмета падает сквозь собирающую линзу и производит реальное изображение с другой стороны. Как и в случае с вогнутыми зеркалами (см. гл. 2), это реальное изображение будет гораздо больше, чем сам предмет, если этот предмет находится рядом с фокусом. (Изображение будет более тусклым, потому что то же самое количество света будет распространяться на больший объем. Поэтому свет, исходящий от объекта, должен быть очень ярким, чтобы преодолеть этот эффект затемнения.)

Поскольку изображение реальное, с точки зрения оптики оно имеет те же свойства, что и сам предмет. И для того чтобы увеличить это изображение еще раз, можно использовать еще одну собирающую линзу. Используя, таким образом, две линзы или больше, можно получить изображение гораздо большее, чем можно было бы получить с помощью самой сильной линзы. Микроскопы, в которых используется больше одной линзы, называются сложными.

Первые сложные микроскопы, скорее всего, были созданы за сто лет до Левенгука голландским же изготовителем очков Захариасом Янссеном в 1590 году. Из-за того что он использовал несовершенные линзы, прошло много времени, пока такие микроскопы стали пригодными для чего-либо, кроме развлечения. Однако к концу жизни Левенгука возможности сложных микроскопов уже начинали превосходить все, на что были способны его простые линзы.

В телескопах (от греческого «видеть далеко») тоже используются линзы. Свет от предмета, скажем от Луны, проходит сквозь собирающую линзу и формирует с другой ее стороны реальное изображение. Это изображение затем увеличивается с помощью другой линзы. Увеличенное изображение больше, и на нем видно больше деталей, чем на самой Луне, когда на нее смотрят невооруженным взглядом.

Телескоп можно использовать и на Земле. Здесь реальное изображение, формируемое линзой, перевернуто, а видеть удаленную перспективу, где небо внизу, а земля вверху, было бы несколько странно, поэтому для создания изображения используются две линзы, и вторая переворачивает изображение, перевернутое первой, обратно. Вот это дважды перевернутое изображение уже увеличивается, и мы получаем подзорную трубу. Две маленьких подзорных трубы, составленные вместе для двух глаз, дают нам бинокль.

В астрономических телескопах не используют дополнительную линзу, поскольку каждая линза вносит искажения, и чем меньше линз используется, тем лучше. Перевернутое изображение звезды или Луны не смущает астронома, и он не против того, чтобы видеть их такими.

Телескоп, кажется, был изобретен подмастерьем голландского изготовителя очков Ганса Липперши примерно в 1608 году[86]. На следующий год слух о новом приборе дошел до итальянского ученого Галилео Галилея (1564–1642), о котором я уже имел случай упоминать в I части книги, и он стал экспериментировать с линзами, пока не получил телескоп. Его инструмент был плохоньким по сравнению с современными; он увеличивал примерно раз в тридцать. Однако, повернув телескоп к небу, Галилей обнаружил там девственную территорию, и, куда бы он ни смотрел, он видел то, что не видел больше никто и никогда.

Большее количество деталей, увиденных им на Луне, позволило ему различить лунные горы и кратеры. Он видел пятна на Солнце, а Венера и Юпитер предстали перед ним размерами с глобус. Он смог разглядеть, что Венера проходит те же фазы, что и Луна (как то и предсказывала теория Коперника), и что Юпитер окружен четырьмя спутниками.

Линзы телескопа служили также и для собирания света. Весь свет, падающий на линзу, собирается в изображение. Если линза больше, чем зрачок глаза (а у телескопа она все-таки больше), то в изображении, создаваемом телескопом, концентрируется больше света, чем в изображении, создаваемом глазом. Когда Галилео направил свой телескоп в звездное небо, он увидел множество звезд, которые были ясно видны в телескоп и которые исчезали, когда он отнимал инструмент от глаза.