На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии - Эвис Лэнг

Стекло, материал, известный по меньшей мере со времен фараонов, изготовляется в основном из расплавленного песка, охлаждаемого в таком режиме, что стадии кристаллизации не наступает. Но оптическое стекло – совсем не то, из которого сделаны бутылки или бусы, и ни одна стеклодувная мастерская Древнего Египта его изготовить бы не смогла. И даже спустя столетия производители оконного стекла тоже не могли справиться с этой задачей, хоть некоторые и пытались. Как писал американский астрофизик Эбер Д. Кертис в конце Первой мировой войны, это «субстанция, которая отличается от обычного стекла почти так же сильно, как алмаз отличается от графита». (Годом позже Кертис проиграет знаменитый и широко освещавшийся в прессе спор о том, составляет ли Млечный Путь всю Вселенную, или туманные спиральные объекты, усеивающие ночное небо, являются другими галактиками, а размеры реальной Вселенной намного больше, чем до этого представлялось.)

Для изготовления качественного оптического стекла требуется большое количество горючего и хорошо управляемые специальные печи. Нужны тугоплавкие плавильные тигли, вещество которых не перемешается с огненным жидким стеклом, понизив тем самым его качество. Расплавленная масса в тигле должна быть хорошо перемешана. При выливании в форму поток должен быть таким, чтобы в нем не образовывались неоднородности. В процессе охлаждения необходимо принять меры против образования пузырьков, прожилок, внутренних напряжений и туманных пятен. Если ставится цель изменять параметры преломления в различных частях спектра, масса стекла может быть обогащена различными добавками: свинцом, барием, бором, натрием, серебром, ураном, ртутью, мышьяком. Главное: оптическое стекло должно быть максимально прозрачным и однородным.

До самой середины XIX века крупные заготовки высококачественного оптического стекла считались большой редкостью и производители оптических инструментов платили за них огромные деньги . Доллонд предложил проект объектива, который при условии его реализации обещал появление великолепного астрономического телескопа. Но обещать – не значит сделать. Проект – это всего лишь рецепт. Если у вас нет авокадо, вы не сможете приготовить гуакамоле.

На протяжении десятилетий потребности большей части Европы в оптическом стекле удовлетворяли всего две компании – братья Ченс в Бирмингеме, в Англии, и Parra Mantois et Cie. в Париже. В начале 1880-х годов центр изготовления стекла переместился в Иену, где Карл Цейсс и еще двое университетских ученых основали легендарное совместное промышленное предприятие. Старшим из этих ученых был физик Эрнст Аббе, который внес большой вклад в математические основания оптики – он, например, установил, что разрешение телескопа или микроскопа ограничено размером инструмента и длиной волны собираемого им света. До этого он уже сотрудничал с Цейссом в производстве усовершенствованных микроскопов. Младшим из ученых был молодой доктор-химик Отто Шотт, написавший диссертацию об изготовлении стекла. Метод проб и ошибок в этом деле больше не годился. Даже подмастерьям нужны были научные сведения, и оптики-мастера старались не пропускать университетских лекций.

Вместе эта троица расширила и без того большое оптическое предприятие Карла Цейсса и вдобавок учредила «Лабораторию техники изготовления оптического стекла»: Shott & Associates Glass Technology Laboratory. Вскоре после смерти Цейсса в 1888 году Аббе основал Фонд его имени: Carl Zeiss Foundation, который сегодня владеет компаниями Карл Цейсс AG и Шотт AG. Именно этому предприятию мы обязаны великолепным звездным проектором Цейсс Марк IX, возвышающимся в зале Космического театра в Нью-Йоркском планетарии Хейдена. Среди первых достижений корпорации Цейсс/Шотт были изобретение боросиликатного стекла с низким коэффициентом температурного расширения (этот материал известен под названием пирекс), апохроматического объектива (значительно усовершенствованного ахроматического объектива, сводящего световые волны всех длин в один фокус) и призматического бинокля массового производства. К началу Первой мировой войны компания Цейсса стала привилегированным поставщиком большей части «оптического снаряжения» – индивидуальных наблюдательных устройств, в число которых входили бинокли, дальномеры, панорамные артиллерийские прицелы и перископы подводных лодок. Компания, однако, производила и отличное невоенное оборудование: астрофизикам были нужны ее большие телескопы-рефракторы нового поколения, фотографам – камеры, всем – микроскопы. В июне 1914 года в многочисленных отделениях фирмы Цейсса в Иене работало более 5000 человек. (В июне 1945 года оккупационные силы США переместили 77 ученых и администраторов Цейсса из Иены – находящейся на востоке Германии – на юго-запад; там, в Оберкохене, было основано дочернее предприятие Цейсса. В 1953 году правительство Восточной Германии прекратило все контакты с западными секторами, положив начало политике холодной войны. В 1991 году, вскоре после воссоединения Германии, воссоединилась и фирма «Цейсс».)

Несмотря на многочисленные достижения Цейсса, Аббе и Шотта, размер объектива оставался главной проблемой. Искривленная металлическая поверхность зеркала отражающего телескопа не могла быть отполирована с надлежащей точностью. Для тех, кому в XIX веке требовались все большие и большие стеклянные линзы, Элвин Кларк был, казалось, послан богом. Но в изготовлении стеклянных объективов телескопа-рефрактора имелись собственные трудности. Полировка при помощи голых пальцев несовместима с массовым производством, и вечная нехватка высококачественного оптического стекла ограничивала качество оптики телескопов. Наиболее серьезную инженерную проблему создавала работающая на изгиб тяжесть большой стеклянной линзы, закрепленной только по своему периметру, – линза деформировалась.

К счастью для астрофизиков, уже существовал зачаток лучшего решения. В 1835 году немецкий химик Юстус фон Либиг предложил посеребренное зеркало. Изготовленное осаждением тонкого слоя паров серебра на одну сторону полированной стеклянной пластины, оно давало прекрасное изображение и скоро стало принадлежностью каждого буржуазного дома. Спустя два десятилетия Жан-Бернар-Леон Фуко (да, тот, которого маятник) в сотрудничестве со штатным оптиком Парижской обсерватории усовершенствовал эту технику, дополнив ее местной переполировкой с целью исправления ошибок формы поверхности. Это позволило Фуко изготовить несколько отражательных телескопов все большего размера – вплоть до восьмидесятисантиметрового рефлектора, установленного в Марсельской обсерватории в 1864 году.

Сегодня рефлекторами являются все крупнейшие телескопы мира, и все они имеют зеркала с напыленным металлическим покрытием одной отполированной стеклянной поверхности. В то время как поперечник линзового объектива самого большого из существующих телескопов-рефракторов немного больше одного метра, диаметр зеркала крупнейшего из современных рефлекторов превышает 10 метров. В процессе изготовления находятся телескопы с диаметром зеркала около 40 метров. Размеры зеркал почти ничем не ограничиваются: с тыльной стороны зеркало поддерживается разгрузками. В результате, начиная с последних лет XIX века, рефлектор стал основным инструментом астрофизиков.

___________________

Однако в военной сфере все обстояло иначе. На протяжении почти всего XIX века военные стратеги и артиллеристы гораздо меньше, чем астрономы, беспокоились о том, где взять качественное оптическое стекло. Пехотная винтовка, которая могла поразить цель на расстоянии более мили, еще не появилась. Стрелки не пользовались укрепленным на стволе оптическим прицелом. Пушки времен Гражданской войны палили неприцельным огнем в сторону видимого в непосредственной близости врага; сражающиеся северяне и южане оценивали расстояние простым глазом и целились при помощи ватерпасов и отвесов, ошеломляя противника ураганным огнем. «Канониры быстро наводили свои орудия и палили из них, надеясь поразить какую-нибудь важную цель», – пишет подполковник Ф. Е. Райт в историческом обзоре, подготовленном им в 1921 году для артиллерийско-технического управления армии США.