Zamówienia: kontakt@teleskopy.pl     Porady dot. sprzętu porady@teleskopy.pl
 
Telefon (pn - pt:   10 - 18, sb:  9 - 13) Infolinia: 0801 011 228   +48 22 374 31 40 (WAW)   22 374 06 07 (WAW)   531 531 707 (KRK)
 
Salony firmowe: Warszawa, ul. Solec 34b (pod mostem Poniatowskiego)    Kraków, ul. Dietla 69    Chorzów, ul. Katowicka 52

Porady optyczne i astronomiczne

Krótka historia skonstruowania pierwszych teleskopów optycznych

Komu ludzkość zawdzięcza odkrycie teleskopu? Nie jest to sprawa całkowicie jasna i nadal bywa dyskutowana. W 385 roku przed Chrystusem Demokryt ogłosił, że Droga Mleczna zbudowana jest z miriadów gwiazd. Niektórzy specjaliści utrzymują, że do takiego wniosku można dojść wyłącznie dzięki obserwacjom teleskopowym. Inni wskazują na zachowane teksty helleńskie i rzymskie mające wykazać, że w Starożytności znano instrument optyczny zwany dziś teleskopem (*). Są to jednak wyłącznie poszlaki i wydaje się, że wyciąganie tak daleko idących wniosków nie jest uzasadnione.

Lunety, teleskopy działające na zasadzie załamania światła na granicy ośrodków

PRZED ROKIEM 1609

Technologia szlifowania soczewek znana była w czasach najdawniejszych. Pierwsze soczewki wykonywane były nie ze szkła, ale z obrobionego i oszlifowanego kwarcu (dwutlenku krzemu, SiO2), twardego materiału występującego naturalnie i dość powszechnie. Trudno jednak dociec, czy przedmioty odnalezione przez archeologów to ozdoby czy świadome próby wykonania soczewek.

Pierwsze dobrze udokumentowane historycznie stosowanie soczewek pojawia się w źródłach greckich i rzymskich.
Za oficjalny początek astronomii teleskopowej można uznać działalność żyjącego w XI wieku mezopotamskiego astronoma Alhazena (Abu Ali Hasan Ibn al-Hajsam). Był on najwybitniejszym fizykiem ówczesnego świata i uważa się go za ojca optyki. Zajmował się szeroko załamaniem i rozszczepieniem światła, zaś jego prace miały znaczący wpływ na rozwój nowożytnego teleskopu.

Soczewki odkryto w znaleziskach archeologicznych w Visby na Gotlandii (terytorium Szwecji). Soczewki te datuje się na drugą połowę XI wieku. Kształt tych soczewek to jest taki, że połowa to prawie idealna elipsoida, zaś druga strona jest płaska. Jest to prawie idealny przyrząd optyczny. Niektóre z tych soczewek posiadały oprawę ze srebra i zapewne były używane jako wisiorki.

W kilku opracowaniach napisanych między 1230 i 1235 rokiem Robert Grosseteste napisał m.in.: Ta część optyki, gdy dobrze się ją pojmie, pokazuje nam jak możemy sprawić, by przedmioty bardzo odległe sprawiały wrażenie będących bardzo blisko, zaś duże bliskie przedmioty zdawały się małe, i jak możemy sprawić, by odległe przedmioty były takiej wielkości, jakiej zechcemy, tak że może być możliwym przeczytanie najmniejszych liter z niesłychanych odległości.

Rober Bacon był uczniem Grosseteste'a w Oksfordzie, i często twierdzi się, że opisał teleskop w XIII wieku, choć nie można stwierdzić z całą pewnością, że kiedykolwiek zbudował w pełni funkcjonalną konstrukcję teleskopu.

Powszechnie uznaje się że na obszarze Europy okulary korygujące dalekowzroczność przy pomocy odpowiednich soczewek zostały wynalezione w północnej Italii na przełomie XIII i XIV wieku. Być może były już wcześniej znane w Chinach, jednak odkrycie dokonane we Włoszech było z pewnością niezależne. Około 1450 okryto, że soczewki wklęsłe (rozpraszające) korygują krótkowzroczność. Tak więc w połowie XV stulecia dwa rodzaje soczewek niezbędnych do skonstruowania lunety były już znane i odkrycie teleskopu było, jak można przypuszczać, jedynie kwestią czasu. Nie mamy jednak odpowiednich źródeł pisanych lub materialnych aby móc stwierdzić z całą pewnością, czy już podówczas skonstruowano odpowiednią lunetę.

Posiadamy dobrze udokumentowane przekazy świadczące, że zarówno soczewkowe jak i lustrzane teleskopy były znane w Anglii w drugiej połowie XVI wieku. Pisma Jana Dee oraz Tomasza Diggesa z lat odpowiednio 1570 i 1571 opisują zastosowanie tych konstrukcji optycznych przez ojca Tomasza, Leonarda Diggesa. Niezależne potwierdzenie tego faktu znaleźć można w innych zapisach z tamtego okresu. Jednakże wiedza o tym nie rozprzestrzeniła się i dopiero na początku wieku siedemnastego wiedza ta stała się powszechna w Niderlandach.

Praktyczne wykorzystanie przyrządu optycznego zwanego teleskopem miało miejsce Niderlandach, będących podówczas Republiką Zjednoczonych Prowincji Niderlandzkich, przeżywającą swój złoty wiek i ekspansję kolonialną, około roku 1608. Odkrycie - z dzisiejszego, historycznego punktu widzenia - należy przypisać trzem osobom: Janowi Lippershey, Zachariaszowi Janssen (obydwaj byli wytwórcami okularów) oraz Jakubowi Adrianszoon.

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.

Przy okazji wszystkim adeptom astronomii można polecić skonstruowanie takiej taniej i prostej lunety - najłatwiej ze szkieł okularowych. Będzie to instrument absolutnie fatalny z punktu widzenia jakości optyki (obarczony gigantyczną aberracją chromatyczną przy obserwacjach gwiazd, słabą rozdzielczością itp), jednak z punktu widzenia dydaktyczno - poznawczego warto się tego podjąć.

GALILEUSZ I JEGO TELESKOP

Przyszedł czas by wspomnieć o człowieku, któremu najczęściej przypisuje się "odkrycie" teleskopu - o Galileuszu. Galileusz miał szczęście - i wiedział chyba wystarczająco dobrze, czym jest reklama. Łut szczęścia poległa na tym, że przebywając w Wenecji w maju roku 1609 usłyszał o pewnym człowieku, który skonstruował instrument, dzięki któremu odległe obiekty wydają się być bliższe i większe niż widziane okiem nieuzbrojonym oraz że zasadą fizyczną dzięki której urządzenie działa jest refrakcja (załamanie) światła. Sam Galileusz twierdził, że rozwiązał problem konstrukcji teleskopu pierwszej nocy po powrocie z Wenecji do Padwy, zaś następnego dnia miał już gotowy instrument, złożony z soczewki skupiającej i soczewki rozpraszającej zamocowanych na przeciwnych końcach ołowianej rury. Kilka dni później, wykonawszy lepszą wersję teleskopu, zabrał ją do Wenecji, gdzie ogłosił "swoje" odkrycie, zaś skonstruowany przez siebie instrument podarował doży Leonardowi Donato. W ten oto sposób wspomniany wyżej łut przerobił Galileusz na ogromny sukces, zarówno w życiu doczesnym (otrzymał dożywotnią katedrę wykładową w Padwie oraz gratyfikację finansową), jak w świadomości potomnych, przechodząc - w dużym stopniu niezasłużenie - do historii jako "odkrywca (lub pierwszy konstruktor) teleskopu".
 

Teleskop Galileusza
Teleskop Galileusza

Prawda jest oczywiście nieco inna - Galileusz obserwował swoją lunetą niebo, wyciągał prawidłowe wnioski i potrafił je rozpropagować. Obserwował plamy na Słońcu (znane już od dawna Chińczykom, choć mechanizm ich powstawania do dziś nie został w pełni wyjaśniony), fazy Wenus, Księżyc (prawidłowo rozpoznał formy ukształtowania terenu) oraz zauważył, że Saturn jest wydłużony (jego teleskop był zbyt mały by oddzielić pierścień od tarczy planety). Jego najważniejszych jednak odkryciem były księżyce Jowisza. Zauważył i obwieścił, że zaobserwował Układ Słoneczny - w mniejszej skali. W rezultacie opowiedział się za heliocentryczną, kopernikańską hipotezą budowy Układu Słonecznego, równocześnie negując podwaliny teorii geocentrycznej, ptolemejskiej. Miało to znaczący wpływ na rozwój nauki oraz na życie samego Galileusza, ale to już zupełnie inna historia. Oczywiście Galileusz stopniowo ulepszał swój teleskop - zaczynając od trzykrotnego powiększenia, ostatecznie skonstruował teleskop o powiększeniu około trzydziestokrotnym, który stanowił już dość poważne narzędzie optyczne. Dzięki temu dziś tę konstrukcję nazywamy teleskopem Galileusza.

KEPLER I INNI

Wkrótce Jan Kepler opisał alternatywną konstrukcję teleskopu soczewkowego, zbudowanego w oparciu o dwie soczewki wypukłe. Zaletą tej konstrukcji było znacząco większe pole widzenia teleskopu. Natomiast kontrastowość uzyskiwanych obrazów była wręcz fatalna, w związku z tym teleskopy te wymagały długiej ogniskowej. O ogromnej roli pola widzenia wiedzą wszyscy miłośnicy astronomii. Na marginesie warto dodać, że przy konstruowaniu współczesnych amatorskich teleskopów szuka się zawsze kompromisu między rosnącymi wadami optycznymi (aberracje, koma, dystorsja) wraz ze zmniejszaniem się światłosiły (stosunku średnicy do ogniskowej) oraz z malejącym polem widzenia wraz ze wzrostem ogniskowej. Takim kompromisem, dla typowych i stosunkowo niedrogich współczesnych konstrukcji, jest światłosiła między 1:8 a 1:12.

W drugiej połowie wieku siedemnastego nastąpił ogromny postęp w jakości konstruowanych lunet: dość wspomnieć Krystiana Huygensa (**), który skonstruowanym wraz z bratem teleskopem o ogniskowej równej około 3,5 metra zaobserwował i poprawnie wyjaśnił naturę pierścieni Saturna, czy Jana Cassiniego, odkrywcy największej przerwy w strukturze pierścieni Saturna.

W tym czasie konstruowane teleskopy były niesłychanie długie - 30 czy nawet 60 - metrowe. Manipulacja takim teleskopem jest niesłychanie trudna i tym bardziej należy docenić ludzi, którzy tak nieporęcznymi instrumentami potrafili dokonać tak doniosłych odkryć.

Teleskopy lustrzane (reflektory), działające na zasadzie prawa odbicia światła

Choć zjawisko tęczy i załamania światła na granicy ośrodków było znane od wieków, dopiero Izaak Newton dowiódł, że przejście światła białego przez pryzmat nie tworzy nowych barw, ale rozszczepia już istniejące. Przez to dowiódł, że różne długości fali świetlnej uginają się inaczej - w fizyce mówimy, że pryzmat jest dla światła ośrodkiem dyspersyjnym. Do tego czasu optycy powszechnie uważali, że niedoskonałości optyczne teleskopów refrakcyjnych wynikają ze źle dobranego kształtu soczewki, nie zaś z samej natury światła. Mimo istnieją zapisy mogące świadczyć, że pierwsze teleskopy lustrzane zostały skonstruowane w pierwszej połowie XVI wieku, palmę pierwszeństwa bezapelacyjnie przypisuje się Izaakowi Newtonowi.

W 1663 roku Jakub Gregory napisał traktat Optica Promota, w którym omawia obrazy powstałe w wyniku załamania światła przez soczewki oraz odbicia światła od powierzchni lustrzanych. Zauważa w nim, że jeśli soczewki lub lustra mają kształt sferyczny (ich powierzchnie są elementami sfery), obrazy powstałe są zakrzywione. Natomiast jeżeli elementy optyczne mają kształt krzywych obrotowych powstałych z krzywych stożkowych, następuje korekcja aberracji sferycznej. Rozumiał jednak dobrze, że wszelkie próby udoskonalenia teleskopów przez nadanie soczewkom różnych kształtów nie prowadzi do rozwiązania problemu aberracji chromatycznej (choć nie nazwał explicite tej wady optycznej). Proponował więc skonstruowanie teleskopu zwierciadlanego, wolnego od aberracji chromatycznej (prawo odbicia w optyce geometrycznej nie zależy od długości fali świetlnej). Jednak nigdy nie skonstruował odpowiedniego instrumentu i nie znalazł nikogo, kto wykonałby teleskop jego pomysłu. Uczynił to dopiero Newton.

ISAAK NEWTON I TELESKOP NEWTONA

Gdy w roku 1666 Newton dokonał swojego odkrycia zależności współczynnika załamania światła zależnie od jego barwy, zrozumiał, że wady teleskopu soczewkowego wynikają w większym stopniu z tego zjawiska niż ze sferycznego kształtu soczewek. Stwierdziwszy, że wada refraktorów leży w samej naturze światła, równocześnie zaś eksperymentalnie dowodząc prawa odbicie (kąt padania światła jest równy kątowi odbicia), skierował swoją uwagę na skonstruowanie teleskopu zwierciadlanego. Na powierzchnię odbijającą wybrał stop miedzi i cyny jako najwłaściwszy. Powierzchnię zwierciadła szlifował i polerował na kształt sfery jako prostszej do uzyskania niż paraboloidy obrotowej. Słusznie przy tym założył, że za wady optyczne teleskopów odpowiedzialna jest w pierwszym rzędzie aberracja chromatyczna, nie zaś aberracja sferyczna. Skonstruowanym przez siebie teleskopem obserwował księżyce Jowisza i sierp Wenus. Jak wielu wielkich naukowców uznał, że problem został - przynajmniej na tym etapie - rozwiązany i dalsze prace to już nie nauka, ale raczej inżynieria. (***)


 

Teleskop Newtona
Teleskop Newtona

Trzeba jednak przyznać, że inżynierowie nie dość przejęli się odkryciem Newtona - dopiero kilkadziesiąt lat później odkurzono i rozwinięto koncepcję Newtona. Tymczasem nadal z trudem manipulowano ogromnymi teleskopami konstrukcji Huygensa. Gdy jednak w Towarzystwie Królewskim (Royal Society) porównano obrazy uzyskiwane przez obydwie konstrukcje (AD 1723) okazało sie, że przy porównywalnych parametrach, teleskop zbudowany w oparciu o projekt Newtona niewiele ustępuje konstrukcji Huygensa, będąc przy tym prawie dwudziestokrotnie krótszy.

Teleskop achromatyczny

Krokiem milowym w rozwoju teleskopów było wynalezienie przez Anglika Chestera Moore'a Halla refrakcyjnego teleskopu achromatycznego Uważał on, że różne obszary gałki ocznej człowieka tak załamują promienie światła, aby na siatkówce powstał obraz pozbawiony rozszczepienia kolorów. Słusznie więc zauważył, że musi istnieć możliwość skonstruowania obiektywu soczewkowego o podobnej własności optycznej, o ile użyje się ośrodków o odpowiednich właściwościach załamania. Wkrótce odkrył, ze łącząc różne gatunki szkła można skonstruować "soczewkę achromatyczną", to jest taką, która koryguje nierówne załamanie światła. W roku 1733 udało mu się skonstruować refraktor o aperturze około 7,5 centymetra i ogniskowej 50 cm (a więc o światłosile 1/6,5), który wykazywał jedynie niewielką aberrację chromatyczną (****). Trzeba jednak zaznaczyć, iż był to człowiek skromny i niedbały o sławę i nie potrudził się ogłosić swojego odkrycia światu naukowemu.

Jednak idea przetrwała (Dollond i inni) i stanowiło to podstawę to ogromnego rozwoju techniki obserwacyjnej, którego ukoronowaniem są takie teleskopy jak teleskop lustrzany o średnicy 5 metrów w Obserwatorium Palomarskim (1948, USA), 6-metrowy radziecki teleskop na Kaukazie (1974) czy znajdujące się na Hawajach Keck 1 i Keck 2 (9,8 metra, 1992 i 1996).


 

Teleskopy Kecka
Teleskopy Kecka

Tak w ujęciu historycznym można w skrócie przedstawić rozwój podstaw dzisiejszej techniki teleskopowej - reszta to wyrafinowana, ale prawie wyłącznie inżynieria.

Zespół Teleskopy.pl


(*) Byłby to oczywiście teleskop soczewkowy (luneta, refraktor)
 
 
(**) O Huygensie mało się dziś pamięta, wśród miłośników astronomii głównie znany jest w związku ze skonstruowanym przez niego dwuelementowym okularem, podówczas przełomowym, dziś uznawanym za pośledniejszej jakości; warto więc przypomnieć, że wśród jego dużego wkładu w naukę jest m.in. skonstruowanie pierwszego zegara wahadłowego.
 
(***) No dobrze, zapewne tak nie pomyślał, choć mógłby. Dziś fizycy często uważają, że problem został rozwiązany, gdy zbudują jeden działający prototyp. Natomiast zadaniem dla inżynierów jest umożliwienie produkcji na skalę masową, najlepiej przy zmniejszeniu kosztu jednostkowego z (przykładowo) 1 miliona dolarów do (również przykładowo) 100 dolarów.
 
(****) Dziś powiedzielibyśmy, że miał okropną aberrację chromatyczną - na ówczesne warunki i z perspektywy wcześniejszych konstrukcji (np. Galileusza) można jednak powiedzieć, że widok przez ten teleskop nie był obarczony aberracją chromatyczną.
 
 
Polecana literatura: John North, "Historia Astronomii i Kosmologii", Wyd. Książnica, 1997


      


 

Copyright © 2001-2010 teleskopy.pl