1608 – nie tylko Galileusz


Czy soczewki występują w przyrodzie nieożywionej? Człowiek często udoskonala już istniejące rozwiązania natury, podpatruje i wykorzystuje. Wydaje się nieprawdopodobnym, by żaden starożytny mózg nie został zaintrygowany właściwościami wody zamarzniętej w glinianej misie. To pierwsze, co mi przychodzi do głowy. Zabawa takim kawałkiem lodu powinna w końcu doprowadzić do pewnych odkryć. Z drugiej strony – wydobywanie minerałów i ich obróbka mogły być równie dobrze pierwszym krokiem w kierunku stosowania praw optyki. To nie były soczewki, ale obraz widziany poprzez kryształy również mógł inspirować. Ponieważ nie zachowały się żadne jednoznaczne artefakty, nie wiadomo, od jak dawna ludzie znają i wykorzystują właściwości soczewek. Jednak mam wrażenie, że nawet pomiędzy używaniem okularów a złożeniem soczewek w jednej osi konieczny jest wielki krok konceptualny…

Soczewki (occhiali) szlifowano we Włoszech już pod koniec XIII w. Pomimo, że sztuka szlifowania soczewek, początkowo z jednej strony płaskich, znana była już od dawna i zachowały się opisy ich własności optycznych (np. Robert Grosseteste, De luce – XIII wiek), nie były one zbyt popularne jako przyrządy naukowe. Ich produkcja była skierowana prawie wyłącznie do wytwarzania okularów. Na podstawie udokumentowanych przekazów wiemy, że soczewkowe i lustrzane teleskopy były znane już w XVI wieku w Anglii: pisma Jana Dee (1570) oraz Tomasza Diggesa (1571) opisują zastosowanie tych konstrukcji przez Leonarda Diggesa. W 1608 roku Hans Lippershey, szlifierz soczewek, który miał swój warsztat w Middelburgu w Zelandii (prowincja w południowej Holandii), opatentował niezależnie, a prawie jednocześnie z Jacobem Metiusem z Alkmaar prototyp teleskopu, a to oznacza, że wcześniejsze lata obfitowały w eksperymenty z soczewkami. Rzekomo zasadę działania teleskopu Lippershey odkrył podczas zabawy swych dzieci w warsztacie. 2 października 1608 – Hans Lippershey ofiarowuje mały teleskop (kijker, kijkglas) księciu Maurycemu i Stanom Generalnym Holandii

http://myblackferry.blogspot.com/2010/11/penemu-teleskop-yang-sebenarnya.html

Hans Lippershey
w swoim warsztacie

Nie ma do końca pewności kto był pierwszym wynalazcą przyrządu optycznego udoskonalonego następnie przez wielu badaczy – do tej pary należy dołączyć również niezależnie Zachariasza Janssena, wytwórcę okularów zamieszkałego w tym samym Middelburgu, co Lippershey, który prawdopodobnie w 1608 prezentował we Frankfurcie taki instrument i wg niepotwierdzonych przekazów dysponował nim już 1604 roku.

Niderlandy – wtedy Republika Zjednoczonych Prowincji Niderlandzkich – przeżywały w tym czasie swój złoty wiek. Zasada działania teleskopu trafiła na dobry grunt – prawie natychmiast rozpoczęto produkcję oraz stosowano liczne ulepszenia, przy okazji dając solidne podstawy rozwojowi optyki.

W Amsterdamie Jezuita Athanasius Kircher opublikował Ars Magna lucis et umbrae (1671), opisując zjawiska optyczne, w tym iluzje, barwę, rozproszenie, a także opisy różnych instrumentów: luster, zegarów słonecznych i instrumentów astronomicznych.

http://longstreet.typepad.com/thesciencebookstore/bookstitle_pages_beautiful/

Ilustracja z dzieła Kirchera

Pierwsze teleskopy zbudowane były z soczewki skupiającej i soczewki rozpraszającej – takie teleskopy nie odwracają obrazu, tj. uzyskany obraz jest obrazem ziemskim. Ze względu na wielość praktycznych zastosowań takich lunet, ich znacząca liczba szybko rozprzestrzeniła się po całej Europie. Najsłynniejszym konstruktorem, któremu wciąż jeszcze przypisuje się autorstwo teleskopu był oczywiście Galileo Galilei – postać niebanalna i tragiczna. We Florencji można obejrzeć w Muzeum Historii Techniki we Florencji oryginalne teleskopy jego konstrukcji i wykonania.

http://catalogue.museogalileo.it/object/GalileosTelescope.html

Oryginalny eksponat (nr. inw. 2427) – wykonany przez Galileusza teleskop ( w języku angielskim nie istnieje słowo „luneta”, to po prostu odmiana teleskopu)
znajduje się w Muzeum Historii Nauki we Florencji
Setting: Room VII
Inventor: Galileo Galilei
Maker: Galileo Galilei
Place: Italian
Date: ca. 1610
Materials: wood, paper, copper
Dimensions: length 1273 mm
Inventory: 2427

Zanim jednak Galileusz skierował swoją lunetę w niebo, zadbał o ziemskie sprawy: zademonstrował działanie lunety dożom i patrycjuszkom Padwy, która należała wtedy do Republiki Weneckiej. Dzięki lunecie można było z dzwonnic miasta zobaczyć okręty, które dopiero po dwóch godzinach stawały się widoczne gołym oka. Dla państwa morskiego, jakim była Wenecja, wynalazek musiał wydawać się ważny. Galileusz oficjalnie podarował wynalazek Senatowi, a w zamian otrzymał dożywotnie przedłużenie kontraktu na uniwersytecie oraz podwojenie pensji.Teraz można było zabrać się za badania naukowe!

Należy jeszcze wspomnieć o pewnym istotnym szczególe siedemnastowiecznych teleskopów. Tak jak korespondencja w tamtych czasach nie polegała ma wysyłaniu maili, tak samo obserwacje teleskopowe nie były tym samym, czego można doświadczyć dziś podczas jakiegoś pikniku naukowego lub innych spotkań z astronomią. Obraz w teleskopie Galileusza był niezwykle mały i drgał przy nieznacznym poruszeniu instrumentu – jasna plamka na końcu ciemnej rury. Po chwili, gdy następuje adaptacja oka, można zobaczyć więcej szczegółów, ale to wciąż będzie to wciąż niewielki obszar obserwacji. Właśnie dlatego należy przede wszystkim docenić niezwykłe umiejętności obserwacyjne Galileusza, ponieważ oglądając w różnych publikacjach tarczę Słońca z naniesionymi plamami albo inne wykonane na podstawie obserwacji rysunki nie zyskuje się żadnej świadomości tego, jakim sprzętem ówcześni astronomowie dysponowali – większość literatury podaje, że optyka jego teleskopu daje kąt widzenia około 15 minut kątowych.

http://astronomy.neatherd.org/Sunspots.htm

Oryginalny rysunek plam słonecznych Galileo wykonany latem 1612.

W lunecie Galileusza zwanej też holenderską okularem  jest soczewka rozpraszająca (ujemna), a obiektywem soczewka skupiająca o długiej ogniskowej. Obraz oglądany był prosty, a początkowe powiększenie zaledwie trzykrotne (w późniejszych modelach już nawet 30-krotne). Obrazu z takiej lunety nie można rzutować na ekran, można więc wyobrazić sobie ryzyko astronomów obserwujących Słońce. Na szczęście lunety te nie były jeszcze tak dobrej jakości, by oślepnąć od razu. Galileusz wykonał wiele rysunków z obserwacji Słońca, miał też tyle rozsądku (i praktycznych powodów), by obserwacje prowadzić jedynie o wschodzie lub zachodzie.

Inne rozwiązanie zastosował w 1611 roku Johannes Kepler – i obiektyw i okular są w jego lunecie soczewkami skupiającymi – poza okularem można było wytworzyć obraz oglądanego obiektu. Luneta Keplera odwracała obraz, ale nie przeszkadzało to w obserwacjach astronomicznych. Ten instrument dawał większe pole widzenia, chociaż obraz był mniej jasny i szybko stał się chętniej używany niż wersja Galileusza.

http://www.flickr.com/photos/iya2009japan/4659191244/in/pool-1135926@N20/

Traveling Museum Exhibition: Newton Telescope replica displayed.

Sława nowych narzędzi obserwacyjnych była tak wielka, że już w 1613 roku dysponował lunetą przybyły z Belgii do Polski jezuita Karol Malapert, nauczyciel matematyki w kolegium jezuickim w Kaliszu. Lunetę skonstruował dla niego Aleksy Sylwiusz. Do obserwacji astronomicznych dołączył też jezuita Krzysztof Scheiner. Poszerzył on badania nieba o obserwacje Słońca rzutowane na ekran poza ogniskiem lunety.

Aby uzyskać większe powiększenie należy przy danej długości ogniskowej okularu zwiększyć ogniskową obiektywu, dlatego astronomowie starali się o coraz większe lunety. Jan Heweliusz w swoim obserwatorium przy ulicy Korzennej w Gdańsku zainstalował 17-metrową lunetę, a następnie, już poza miastem, gdyż nie mógł znaleźć odpowiedniej przestrzeni w mieście – 40-metrową. Wielkość instrumentu pociągała za sobą kolejne problemy – rosła dyfrakcja i drgania obrazu.

Rozmiary lunet okazały się ślepą uliczką konstruktorów. Rozwój obserwacji optycznych przeniósł się więc na konstrukcje o większej ilości soczewek i montowano na konstrukcjach zegarowych, by luneta podążała za ruchem sfery niebieskiej. Na kierunek konstrukcji optycznych miał też wpływ pewien obserwacyjny fakt: pomimo dużych powiększeń, gwiazdy pozostawały obiektami punktowymi, ale średnica obiektywu pomaga w dostrzeżeniu tych słabiej świecących. Tu kolejna przeszkoda: im większe soczewki, tym trudniej je wykonać unikając wad optycznych, dlatego do rzadkości należą lunety o obiektywach przekraczających 40 cm (największy obiektyw o średnicy 102 cm i ogniskowej 16,2 m ma luneta w Obserwatorium Astronomicznym Yerkesa w USA). Kolejnymi problemami są: jakość szkła, waga soczewki i stabilność całej konstrukcji.

Autorski rysunek z dzieła Jana Heweliusza „Machina coelestis” opublikowanej w 1673 roku, przedstawiający jego 45-metrowąlunetę (czyli teleskop refrakcyjny).

Prace i eksperymenty nad przyrządami optycznymi były od samego początku tak intensywne, że już w 1616 roku powstał pierwszy teleskop zwierciadlany. Miał on takie zalety, ze wymagał wykonania mniejszej ilości szlifowanych powierzchni, uwalniał od aberracji chromatycznej, gdzie od długości fali świetlnej zależał kąt załamania promienia, a masa zwierciadła o tej samej średnicy co soczewka jest dużo mniejsza i pozwala na lepsze mocowanie w konstrukcji. Później okazało się też, że teleskop zwierciadlany pozwala na obserwacje w ultrafiolecie i podczerwieni – teleskopy refrakcyjne czyli lunety pochłaniały w soczewkach skrajne części widma.

Około 1616 roku profesor i rektor Collegio Romano (założonego w 1551 przez Ignacego Loyolę)  – Włoch Nicolas Zucchi zastąpił obiektyw w lunecie astronomicznej dużym zwierciadłem wklęsłym, konstruując teleskop zwierciadlany.  Za jego pomocą w 1640 roku obserwował plamy na Marsie i pasma na Jowiszu, prowadził dzienne obserwacje (jako pierwszy) Merkurego i dostrzegł zjawisko związane z Wenus  – „światło popielate”.

Kolejny Włoch, Giovanni Battista Riccioli również z obserwatorium w Collegio Romano  we  współpracy z jezuitą Francesco Maria Grimaldim sporządza dzięki dokładnym obserwacjom teleskopowym mapę powierzchni Księżyca, dokładnością przewyższającą dotychczasowe i zawierającą około 600 detali. Wprowadzili oni nowe nazewnictwo, które w dużej części obowiązuje do dziś. Wiele obiektów księżycowych otrzymało wówczas imię sławnego astronoma, uczonego albo starożytnego mędrca.

Po teleskopie włoskiego jezuity Niccolo Zucchiego, kolejną istotną konstrukcją był w 1663 roku teleskop matematyka szkockiego Jamesa Gregorego. Po kilku latach powstały kolejne udoskonalenia: w 1671 nowy układ optyczny zaproponował Izaak Newton, a w 1672 – Laurent Cassegrain, stały się one klasyką teleskopów zwierciadlanych, ale nie tak od razu. Początkowo pozostały wyłącznie w fazie projektu, pierwszy teleskop w układzie Newtona wykonał John Hadley w Anglii w 1721 roku. Prace Cassegraina, chociaż lepsze niż Newtona,  po krytycznej ocenie Huygensa, nie zostały opublikowane. Teleskop Newtona posiada małe pola widzenia – do 2 stopni oraz tzw. koma rosnąca wraz z oddalaniem się od osi optycznej ku brzegom pola widzenia, powodująca rozciąganie obrazu obiektów punktowych np. gwiazd. Ponadto długość tubusa, musi być równa co najmniej ogniskowej lustra głównego (dla lustra o średnicy 200mm i ogniskowej 1400mm  tubus teleskopu musi mieć długość około 1,5 metra), co powoduje, że konstrukcja ze statywem może ważyć kilkadziesiąt kilogramów. Cassegrain zastosował układ, który kilkakrotnie skraca długość części optycznej do długości ogniskowej. Jego konstrukcja jednak też nie była idealna: obok trudności wykonania luster teleskop dawał bardzo małe pole widzenia i również dużą komę a przez to niewielki zakres zastosowań (głównie do obserwacji powierzchni planet i Księżyca).

Współczesne konstrukcje opierają się zazwyczaj na obu tych modelach, ale stosują wiele dodatkowych rozwiązań technicznych i optycznych.

Pokaz slajdów wymaga JavaScript.

Reklamy
Ten wpis został opublikowany w kategorii Galileusz, Harriot Thomas, Historia, Kircherus Athanasius, Przyrządy obserwacyjne, Scheiner Christoph i oznaczony tagami , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , . Dodaj zakładkę do bezpośredniego odnośnika.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s