Капли Левенгука
Ещё в детстве мы узнаём: Антони ван Левенгук в 1673 году открыл одноклеточные микроорганизмы благодаря тому, что изобрёл и изготовил микроскопы непревзойдённого по тому времени качества. Более того, он строил эти микроскопы тысячами. До наших дней дошли многие сотни.
И мало кто задумывается: как скромный часовщик смог у себя дома организовать массовое производство сложнейших оптических приборов? Ведь по сравнению с оптической точностью даже нынешние достижения часовой технологии чудовищно грубы. А уж в его эпоху вовсе не существовало оборудования сколько-нибудь приемлемого качества. Даже сотней лет позже изобретатель конденсатора пара и создатель паровых машин двойного действия Джеймс Уатт восхищался небывалой точностью изготовления своих установок: между цилиндром и поршнем с трудом пролезала шестипенсовая монета!
Правда, оптики ещё в раннем Средневековье нашли способы довольно точного производства сферических поверхностей. Сфера получается сама собою, если два куска стекла тереть друг о друга, постоянно меняя направления движения: только сферы (и частный их случай — плоскости) могут прилегать друг к другу при любых смещениях.
Увы, такая работа требует немалого времени: стоит нажать чуть посильнее, чтобы ускорить истирание стекла, и упругая деформация исказит поверхность. А главное — радиус кривизны стёкол должен быть на несколько порядков больше возможных величин этой самой деформации. Между тем для значительного увеличения требуются как раз малые радиусы. Оптические схемы современных микроскопов сложны не только потому, что взаимодействие стёкол с разными оптическими свойствами может погасить многие аберрации, т. е. искажения, но и потому, что множеством слабо искривлённых поверхностей можно обеспечить нужную силу фокусировки, добиться значительного увеличения.
Между тем взглянем на любой из дошедших до нас микроскопов Левенгука и убедимся: там и речи нет о сложных системах больших стёкол. Наоборот, это вовсе не микроскопы, а простейшие лупы — одиночные линзы. Причём линзы крошечные — менее булавочной головки, а порою едва ли не сопоставимые по размеру с самими объектами наблюдения.
Таким одиночным стёклам присущи многочисленные искажения — и геометрические (свет фокусируется далеко не в одну точку), и хроматические (волны разной длины идут разными путями). Собственно, для компенсации этих искажений как раз и создаются многолинзовые оптические системы. Но современные оптики нашли некоторые способы частичного их снятия и в одиночных линзах. Отклонение формы от правильной сферичности улучшает геометрическую сходимость лучей; внутренние напряжения в стекле несколько выравнивают скорости разных волн и уменьшают хроматическую аберрацию…
Конечно, технологии дозировки асферичностей и напряжений очень сложны. Потому и освоены совсем недавно и всё ещё весьма дороги. Не зря изготовители фотообъективов так гордо пишут: асферический. Хотя обычно из доброго десятка внутренних поверхностей асферичны одна-две.
Каково же было изумление современных исследователей, когда они обмерили некоторые линзы Левенгука и обнаружили там и крошечную асферичность (а ведь её тем сложнее дозировать, чем меньше сама сфера), и внутренние напряжения, компенсирующие значительную часть хроматизма. Правда, за прошедшие сотни лет напряжения заметно уменьшились, поскольку стекло — жидкость, хотя и очень вязкая, и под любыми напряжениями постепенно течёт (в некоторых окнах Эрмитажа, застеклённых ещё в XIX веке, нижний край стекла на миллиметр с лишним толще верхнего). Но если внести поправку на многовековое течение, оказывается, что изначальное качество линз было ещё выше.
Даже изощрённейшие современные технологии требуют немалых сил, денег и времени для достижения подобных результатов. Левенгук же работал в одиночку, не располагал и сотой долей нынешних знаний об оптике вообще и свойствах стекла в частности, а уж технологии расчёта, используемые конструкторами сегодня, в его эпоху и вообразить было невозможно.
И тем не менее он производил свои линзы многими тысячами. Чаще всего он даже не пытался рассматривать в одну линзу несколько разных образцов. Линза, стекло с образцом, удерживающая их конструкция собирались раз и навсегда. Даже регулировочный винт поворачивался один раз — чтобы образец оказался в фокусе — и закреплялся намертво. Причём цена этих готовых конструкций была по тому времени весьма скромна. На жизнь Левенгуку вполне хватало — но благодаря не цене каждого изделия, а массовому их производству и не менее массовой продаже. Левенгук был одним из первых маcтеров высшего класса, сделавших ставку именно на массовое производство и скромные цены.
Как же смог ремесленник — пусть и необычайно искусный, и знакомый едва ли не со всеми тогдашними науками (они были далеко не так обширны, как сейчас, и полное их изучение оставалось в пределах человеческих сил), на века опередить уровень всей доступной ему техники?
Инженеры и учёные исследовали сотни линз Левенгука самыми современными способами. И после нескольких лет анализа ничтожных следов возможных методов обработки пришли к парадоксальнейшему выводу: никакой обработки стёкол вовсе не было. Линзы у Левенгука сразу получались готовыми.
Мастер плавит стекло на весу — для этого у стеклодувов с незапамятных времён накоплено приёмов более чем достаточно. Капли свободно падают в воду. В полёте они оказываются в состоянии невесомости. Поверхностное натяжение придаёт невесомой капле правильную сферическую форму. В воде крошечный комочек стекла остывает так быстро, что не успевает деформироваться.
Правда, чем меньше капля, тем ощутимее сопротивление воздуха и тем сильнее отклонение от невесомости. Да и удар о воду хоть немного да скажется на форме. И внутренние напряжения в стекле тем сильнее, чем быстрее оно остывает. То есть капли Левенгука всё же не идеальны.
Но среди главных изобретательских принципов есть и положение обращать вред в пользу. Левенгук использовал его в полной мере. Ведь для правильного изображения как раз и нужны асферические линзы с внутренним напряжением.
Конечно, асферичность и напряжение нужно точно дозировать. А по левенгуковой технологии они получаются случайными по величине. Ну и что же? Среди бесчисленных вариантов всегда можно выбрать нужный. Левенгук отливал десятки тысяч капель, просматривал их и отбирал те, с которыми получались наилучшие изображения. Работа громадная и кропотливая, но всё же она несравненно проще и выполняется быстрее, чем расчёт и полировка требуемой формы.
Скромный часовщик обратил случай в закономерность. Изобретательностью можно на века опередить достижения всей науки и техники мира.
