Галилеева зрительная труба состояла из двух стекол, из которых обращенное к предмету (объектив) было выпуклое, то есть собирающее световые лучи, а обращенное к глазу (окуляр) — вогнутое, рассеивающее стекло. Лучи, идущие от предмета, преломлялись в объективе, но прежде, чем дать изображение, они падали на окуляр, который их рассеивал. При таком расположении стекол лучи не делали действительного изображения, оно составлялось уже самим глазом, который составлял здесь как бы оптическую часть самой трубы.
Объектив O давал в своем фокусе действительное изображение ba наблюдаемого предмета (это изображение обратное, в чем можно было бы убедиться, приняв его на экран). Однако вогнутый окуляр O1, установленный между изображением и объективом, рассеивал лучи, идущие от объектива, не давал им пересечься и тем препятствовал образованию действительного изображения ba. Рассеивающая линза образовывала мнимое изображение предмета в точках A1 и B1, которое находилось на расстоянии наилучшего зрения. В результате Галилей получал мнимое, увеличенное, прямое изображение предмета. Увеличение телескопа равно отношению фокусных расстояний объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, можно получать сколь угодно большие увеличения. Однако предел сильному увеличению кладут технические возможности: очень трудно отшлифовать стекла большого диаметра. Кроме того, для слишком больших фокусных расстояний требовалась чрезмерно длинная труба, с которой было невозможно работать. Изучение зрительных труб Галилея, которые хранятся в музее истории науки во Флоренции, показывает, что его первый телескоп давал увеличение в 14 раз, второй — в 19, 5 раза, а третий — в 34, 6 раза.
Несмотря на то что Галилея нельзя считать изобретателем зрительной трубы, он, несомненно, был первым, кто создал ее на научной основе, пользуясь теми знаниями, которые были известны оптике к началу XVII века, и превратил ее в мощный инструмент для научных исследований. Он был первым человеком, посмотревшим на ночное небо сквозь телескоп. Поэтому он увидел то, что до него еще не видел никто. Прежде всего, Галилей постарался рассмотреть Луну. На ее поверхности оказались горы и долины. Вершины гор и цирков серебрились в солнечных лучах, а длинные тени чернели в долинах. Измерение длины теней позволило Галилею вычислить высоту лунных гор. На ночном небе он обнаружил множество новых звезд. Например, в созвездии Плеяд оказалось более 30 звезд, в то время как прежде числилось всего семь. В созвездии Ориона — 80 вместо 8. Млечный Путь, который рассматривали раньше как светящиеся пары, рассыпался в телескопе на громадное количество отдельных звезд. К великому удивлению Галилея звезды в телескопе казались меньше по размерам, чем при наблюдении простым глазом, так как они лишились своих ореолов. Зато планеты представлялись крошечными дисками, подобными Луне. Направив трубу на Юпитер, Галилей заметил четыре небольших светила, перемещающихся в пространстве вместе с планетой и изменяющих относительно нее свои положения. Через два месяца наблюдений Галилей догадался, что это — спутники Юпитера, и предположил, что Юпитер своими размерами во много раз превосходит Землю. Рассматривая Венеру, Галилей открыл, что она имеет фазы, подобные лунным, и потому должна вращаться вокруг Солнца. Наконец, наблюдая сквозь фиолетовое стекло Солнце, он обнаружил на его поверхности пятна, а по их движению установил, что Солнце вращается вокруг своей оси.
Все эти поразительные открытия были сделаны Галилеем за сравнительно короткий промежуток времени благодаря телескопу. На современников они произвели ошеломляющее впечатление. Казалось, что покров тайны спал с мироздания, и оно готово открыть перед человеком свои сокровенные глубины. Насколько велик был в то время интерес к астрономии, видно из того, что только в Италии Галилей сразу получил заказ на сто инструментов своей системы. Одним из первых оценил открытия Галилея другой выдающийся астроном того времени Иоганн Кеплер. В 1610 году Кеплер придумал принципиально новую конструкцию зрительной трубы, состоявшую из двух двояковыпуклых линз. В следующем году он выпустил капитальный труд «Диоптрика», где подробно рассматривалась теория зрительных труб и вообще оптических приборов. Сам Кеплер не мог собрать телескоп — для этого у него не было ни средств, ни квалифицированных помощников. Однако в 1613 году по схеме Кеплера построил свой телескоп другой астроном — Шейнер.
Множество ученых принялись сами сооружать телескопы, причем более мощные, чем у Галилея. Некоторым удалось достичь увеличения в сто раз, при этом длина трубки достигала 30, 40 и более метров. Рекорд принадлежит, видимо, астроному Озу, которому удалось в 1664 году соорудить телескоп с увеличением в 600 раз. При этом длина трубки была 98 метров. Легко догадаться о затруднениях, которые пришлось претерпеть Озу, ведя наблюдения с помощью такого неуклюжего приспособления. В 1672 году Исааку Ньютону удалось отчасти разрешить это затруднение он предложил новую конструкцию телескопа (получившую название рефлектор), в котором объективом было вогнутое металлическое зеркало.
Из всего сказанного видно, что создание телескопа ознаменовало собой подлинную революцию в науке вообще и в оптике в частности. Точная оптика вошла в науку как новое средство познания мира.
28. МИКРОСКОП
Приблизительно в то же время, когда началось исследование космоса с помощью телескопов, были сделаны первые попытки раскрыть с помощью линз тайны микромира.
Известно, что мелкие предметы, даже если они хорошо освещены, посылают глазу слишком слабый пучок световых лучей, недостаточно интенсивный для того, чтобы разрешение, производимое им на сетчатке глаза, дало нам отчетливое изображение. Простейший способ увеличить изображение небольшого предмета — это наблюдать его с помощью лупы. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием (как правило, не более 10 см), вставленную в рукоятку.
Наблюдение с помощью лупы происходит следующим образом. Предмет AB помещается от стекла на расстоянии OC, меньшим фокусного расстояния Of, тогда глазу, находящемуся в точке пересечения лучей F, покажется, будто лучи исходят из точки пересечения A1B1 продолженных лучей, так что получается мнимое, прямое увеличенное изображение A1B1 предмета AB. Для того чтобы изображение это было совершенно отчетливо, необходимо, чтобы расстояние C1F было равно расстоянию наилучшего зрения наблюдателя. Увеличением лупы будет считаться отношение A1B1 к AB или OC1 к OC.
Более совершенным инструментом для наблюдения микроскопических предметов является простой микроскоп. Когда появились эти приборы, в точности неизвестно. В самом начале XVII века несколько таких микроскопов изготовил очковый мастер Захария Янсен из Миддельбурга. В сочинении А. Кирхера, вышедшем в 1646 году, содержится описание простейшего микроскопа, названного им «блошиным стеклом». Он состоял из лупы, вделанной в медную основу, на которой укрепляли предметный столик, служивший для помещения рассматриваемого объекта; внизу находилось плоское или вогнутое зеркало, отражающее солнечные лучи на предмет и таким образом освещающее его снизу. Лупу передвигали посредством винта к предметному столику, пока изображение не становилось отчетливым и ясным.