Этой статьей мы открываем новый цикл исторических статей на сайте. Вспомним многих великих изобретателей в сфере оптики и фотосъемки и как их изобретения повлияли на сегодняшнюю фотографию и вообще оптику.

Эрнст Аббе. Предпринимая возможное

Формулы, как известно, описывают процессы жизни, ее функционирование. И как правило, одна маленькая, неприметная формула в состоянии перевернуть наше представление о том, что мы знаем. Каждая история об отдельном открытии и стоящем за ним человеке приближает нас к всеобъемлющему видению действительности.

Обычное себе повествование

Началась ли история Эрнста Аббе со сложного и трудоемкого детства, которое во многом благоприятно сказывается на одаренных персонах, мы точно не знаем, но в состоянии это допустить.

Он родился обычным январским днем четверга сорокового года девятнадцатого века, в день совершенно свободным от иных исторически значимых событий, в семье трудяги ткача с революционными воззрениями. Мы пропустим с вами пустые факты, которые нисколько не раскроют нам истинной сути личности. Дата, место, событие, дата...
О его учебных годах сложилось особое впечатление, как будто он все выше и выше прыгает, и каждый раз он дотягивается до новой планки, будто в его представлениях нет места для сомнений или же самодовольства, всего того, что останавливает нас на достигнутом. Он выигрывает конкурсы, выступает с научными работами, производит впечатление на учителей, выбирает следующую ступень учебного процесса и далее, следует за умнейшими из профессоров; в этом весь он, все не случайно.
Мы бы многому научились, узнав его секрет неиссякаемого упорства и истинного трудолюбия. В личных записях он упоминает, что встает рано утром, до обеда работает дома, если нет необходимости идти в кабинет, немного отдыхает и усердно трудится вплоть до самого вечера.

Чтобы уловить смысл его теорий, формул и экспериментов, необходимы не столько глубокие познания в математике и физике, сколько интерес к тем вопросам, которые его по-настоящему заботили. Например, его работа «О закономерностях в распределении ошибок при серийных наблюдениях». О чем она? Будьте предельно внимательны.

Он установил, что значение результатов измерений зависит от предположения, что «с одной стороны, предложенная математическая функция выражает истинный закон зависимости для соответствующих однозначно определяющихся элементов... а с другой стороны, эмпирически заданные отдельные значения содержат лишь случайные ошибки наблюдений. Если суммировать обе предпосылки, то получается требование: разницы, остающиеся после выбора подходящих констант, объясняются исключительно случайными ошибками измерений». После этого Аббе решает найти закономерности, «на основании которых, если имеется какая-то система разниц между результатами наблюдений и расчетными значениями величины, может быть определена вероятность, выраженная в числах, которая говорит о том, что эти разницы возникли только из случайных ошибок наблюдений». Понимаете, о чем он говорит? О вечном вопросе, несоответствия теории и эмпирики, которое можно определенно высчитать, а следовательно подчинить контролю человеческого сознания. Браво! Это было главное! Либо бесплодные и слепые эмпирические эксперименты, как в глухом непроглядном лесу, либо красивые бумаги, обрисовывающие рай, но неспособные материализоваться. Он это, видимо, до самого сердца прочувствовал, иначе как объяснить такой неиссякаемый энтузиазм?

Научные искания и ожидаемые находки

Нужно ли нам название города? В этом городе Аббе суждено было прожить большую часть жизни — 35 лет, а этому городу имя Аббе принесло мировую славу. Йена, в нем, очевидно, Йенский университет. Нас не удивит, что его друзьями и знакомыми становятся крупнейшие ученые и профессора Германии того времени. Мы выбираем окружение, а окружение лепит из нас подобное себе же. Вне всякого сомнения — он был избирателен. Невозможно обойти без внимания его совет, адресованный ученику Зигфриду Чапскому о самостоятельной работе. Важным выступает умение самому ставить перед собой всевозможные задачи и создавать вспомогательные средства для их решения. Лишь собственная предприимчивость нам в состоянии помочь, потому что задачи слишком разнообразны и постоянно меняются, а одни лишь традиционные правила и указания со стороны совершенно бессильны. А технику, которой мы располагаем, нужно знать, точнее те средства, которыми она располагает, чтобы достичь того, что теория показывает как принципиально возможное. К чему способна техника, и что она не позволяет реализовать нам предстоит разбираться на протяжении долгого времени, это ведь не просто научный вопрос, это также вопрос ожиданий человека.

Период жизни Аббе с 26-ти и вплоть до 50-ти лет связан с деятельностью известного немецкого механика и оптика Карла Цейсса. С самого начала организации в 1846 г. своей фирмы Карл Цейсс старался претворить в жизнь идею «основывать практическое конструирование микроскопов целиком на научной теории и поставить под ее строгий контроль все их изготовление».
А сама идея производства микроскопов на предприятии Цейсса принадлежит профессору Якобу Шлейдену, который был связан с клеточной теорией. Этот ученый по достоинству оценил качество и возможности цейссовских микроскопов и дал им путевку в жизнь.

В это время на мировом рынке появились микроскопы с иммерсионными объективами, выпускаемые всемирно известной парижской фирмой «Гартнак». На первых порах Цейс столкнулся со значительными трудностями в изготовлении иммерсионных объективов. Неудача была в несовершенстве расчетов оптических систем микроскопов. Их решением стал Эрнст Аббе.

В первый год своей работы у Цейсса, Аббе пытался перестроить производство оптических инструментов, подкрепив его научной основой. В руководствах по получению микроизображений лишь случайно затрагивался тот факт, что конструирование микроскопа и его постоянное усовершенствование было и оставалось до того времени почти исключительно делом эмпирики, удачного и продолжительного экспериментирования опытного практика. Иногда, впрочем, ставился вопрос, почему теория, позволяющая с достаточной точностью предсказать особенности функционирования готовых микроскопов, не может одновременно использоваться при их конструировании, т.е. почему не удается изготавливать по теоретически разработанным правилам оптические инструменты этого типа, так же, как, например, со времен Фраунгофера обстоит дело со зрительными трубами, а позднее — с оптическими объективами фотографических камер. Причину продолжительного использования эмпирических методов в общем случае искали в технических трудностях, связанных с изготовлением приборов. Многие современники Аббе ошибочно предполагали, что невозможно с требуемой точностью выдержать при создании объективов микроскопов предписанные размеры для отдельных элементов их конструкции. Очень радует то обстоятельство, что Эрнст не впитал в себя эти сомнительные убеждения.

Значит вопрос заключался в сложности точных расчетов. Он настаивает на своем и уверен, что в скором времени сможет рассчитать предельно точную схему. Разработанные им методы и усовершенствованные конструкции оптических измерительных инструментов сыграли одну из решающих ролей в данной истории. Случайные ошибки наблюдений теперь заметно уменьшились благодаря тем оптическим измерительным приборам, которые Аббе сконструировал. Научная дорога открывается еще шире.

Основательное вникание

Аббе показал, что разрешающая способность микроскопов не беспредельна: она ограничена волновой природой света. Поэтому нельзя разглядеть в микроскоп объект, размеры которого меньше половины длины световой волны (т.е. меньше 0,25 мкм). Но даже для достижения указанного предела нужно было научиться рассчитывать оптическую систему микроскопа, свободную от многочисленных аберраций, которыми эта система обладает. В решении этих вопросов он достиг блестящих результатов. Произведение синуса половины апертуры объектива (угол между оптической осью и крайным световым пучком) микроскопа на показатель преломления среды, лежащей между объектом наблюдения и объективом, Аббе назвал «числовой апертурой».

Согласно теории Аббе, числовая апертура определяет ряд важнейших свойств микроскопа: яркость изображения, «проникающую» способность, «отображающую» способность (т.е. степень сходства изображения с предметом). Чем больше числовая апертура, тем более мелкие подробности объекта наблюдения можно рассмотреть в микроскоп. При несоблюдении этого закона точки предмета, близко расположенные к оптической оси, изображались нерезко.

Выполненные Аббе в несколько последующих лет работы позволили создавать объективы микроскопов на основе строгих расчетов.

Микроскопы, выпускавшиеся фирмой Zeiss, стали лучшими микроскопами в мире. Вспоминая впоследствии об этом периоде своей жизни, Аббе писал, что микроскопические системы, отвечающие до известной степени требованиям того времени, от начала до конца изготавливались согласно теоретическим предписаниям. При этом параметры рассматриваемых устройств рассчитывались на основе точного исследования применяемых материалов вплоть до последних подробностей: каждого закругления, каждой оптической толщины, каждого светового диаметра линзы. В результате совершенно исключался эмпирический подход. Для каждого подлежащего обработке стекла прежде всего с помощью спектрометра определялись оптические константы для пробной призмы... Отдельные элементы конструкции изготавливались согласно предписанным размерам с возможно более высокой точностью. Затем производилась сборка конструкции. Только в случае сильных объективов один параметр конструкции (расстояние между линзами) оставался изменяющимся, для того чтобы можно было вновь компенсировать неизбежные незначительные погрешности работы. И мы хотим задать вопрос, добился ли он своего.

В 1876 г. фирма Цейсса отмечала выпуск 3000-ного микроскопа. В том же году Аббе, согласно заключенному с ним контракту, стал равноправным участником этой фирмы. Однако Аббе не был полностью удовлетворен достигнутыми результатами. Осмелюсь привести дословную цитату из замечательной книги В.А. Гурикова «Эрнст Аббе», изд. «Наука», 1985:
«В течение двух последних десятилетий в данной области ничего не было сделано, если смотреть по существу и судить с точки зрения перспектив развития микроскопических исследований, что могло хотя бы отдаленно сравниться с прогрессом, принесшим славу Плесслю и Оберхойзеру среди наших предшественников, с тем, чего в свое время добился Амичи, что могло встать в один ряд с усовершенствованиями, внесенными в технику изготовления объективов Андре Россом в сороковые годы в Англии, или важными достижениями в области иммерсионных линз, обусловленными работами Гартнака. Автору, желая избежать неправильного толкования сказанного и упреков по поводу недооценки последних достижений, хотелось бы добавить, что его суждение относится в такой же степени к собственным многолетним работам в данной области, как и к исследованиям других ученых». Вот это Человек, вот это пытливость ума! Можно перечитывать последнее его предложение с десяток раз, и восхищаться бесконечно.

Аббе хорошо понимал, что в борьбе с хроматическими аберрациями объективов микроскопов он еще не одержал полной победы. Улучшению аберрационных характеристик объективов мешало также отсутствие необходимого ассортимента оптического стекла с различной относительной дисперсией. Много усилий было затрачено Аббе, чтобы побудить стекольные мастерские изготовлять новые сорта оптического стекла с определенными свойствами.

Сделаем небольшое отступление и посмотрим, как качество оптического стекла влияло на развитие оптического приборостроения. Начало семнадцатого века с телескопами Галилея, открытие открытием, состоит из одного единственного сорта стекла, он и публика довольны, но аберрации, а в особенности сферические и хроматические, заставляются сильно задуматься. И вот попытка создания ахроматического объектива под воздействием И. Ньютона — явления дисперсии света, родилась почти через век, видимо английский оптик обдумывал это явление более, чем основательно, ведь на дворе вторая половина восемнадцатого. Да и вообще, промежуток времени около века частый гость между научным открытием и его применением. В общем, теперь у нас два вида стекла: крон с малой и флинт с большой дисперсией. Их совмещение воедино открывает новые горизонты для качества. В начале девятнадцатого века немецкие оптические мастерские и на основании их некоторые фирмы внесли существенные усовершенствования во все процессы изготовления оптического стекла и наладили фабричное производство хороших флинтов и кронов. В истории одна сплошная крепкая цепь, одно никак не существует без другого, все взаимосвязано, все суть чего-то одного неведомого и единого.

В 1829 г. появляется первое сообщение об опытах известного немецкого химика Деберейнера по выплавке оптического стекла в Йене. А вот крупные денежные средства для организации производства оптического стекла в Йене Деберейнеру предоставил великий Гёте. В этом моменте мы невольно улыбнемся от удивления. Однако расцвет Йенского оптического производства связан прежде всего с именем немецкого стеклохимика доктора Отто Шотта. В 1884 г. Шотт знакомится с Аббе и принимает его предложение основать в Йене фирму по производству оптического стекла.

Успех к Шотту пришел не сразу. Сначала была полоса неудач: не удавалось достигнуть однородности расплавов стекла. Наконец ему удалось решить проблему получения высококачественного оптического стекла с заранее заданными свойствами. Им также была исследована взаимосвязь между показателем преломления и составом расплава стекла. Он впервые для изучения оптических свойств стекла стал использовать пробные плавки в маленьких тиглях, что многим упрощало раскрытие многообразия свойств при существующих тогда методах исследования.

О связях фирм Schott и Zeiss очень красноречиво свидетельствовала записка, хранившаяся ранее в фондах Правления петербургских Обуховского и Ижорского заводов. В ней, в частности, говорится:
«...завод Otto Schott находится в очень тесной зависимости от завода Сarl Zeiss, в очень же сравнительно непродолжительном времени он перейдет и в полную его собственность. Zeiss же, обладая огромными средствами, постарается в настоящее время монополизировать оптическую промышленность всего мира, одни оптические заводы скупая, с другими вступая в различные соглашения;
...Таким образом, Zeiss, имея в своих руках главный источник оптического стекла, может поставить и, несомненно, поставит не вошедшие с ним в соглашение заводы в безвыходное положение, лишив их сырого материала для производства».

Колоссальная вычислительная работа, необходимая для расчета новых оптических систем, побудила Аббе к привлечению новых специалистов — расчетчиков оптических систем. Среди них наиболее талантливым оказался Пауль Рудольф.

Аббе познакомился с ним в начале 1886 г. и предложил заняться расчетом апохроматических объективов микроскопов, а также объективов биноклей. Однако скоро по инициативе Рудольфа фирма Цейсса стала изготовлять и фотографические объективы. В 1891 г. был создан объектив-анастигмат «Протар», а в 1902 г. Рудольф рассчитал известный теперь во всем мире четырехлинзовый фотообъектив «Тессар», запатентованный фирмой. А по истечению действия патента оптическая схема была воспроизведена многими фирмами в объективах: «Индустар» Красногорский завод, «Elmar» Leica Camera, «Rokkor» Minolta, «Nikkor» Nikon.

Собственно предел

Напоследок и как напутствием нам будут представлены занимательные рассуждения Аббе о возможности повышения разрешающей способности микроскопа. Ключевыми, как мы уже понимаем, являются три фактора: апертура (угол между оптической осью и крайним пучком световых частиц), показатель преломления и длина волны. Апертурный угол теоретически не может быть больше 180°. Практически же этот угол значительно меньше, так как невозможно поместить объект наблюдения на нулевом расстоянии от объектива. Кроме того, величина апертурного угла не ограничивается возможностью исправлять аберрации объективов с большими апертурными углами.
Идея Аббе в изыскании средств повышения разрешающей способности микроскопа была связана с повышением показателя преломления посредством применения иммерсионных объективов (пространство между наблюдаемым объектом и объективом заполнялось средой с более высоким показателем преломления, чем воздух). Последнее сильно ограничивало эффективность использования иммерсионного метода, так как часто не представляется возможным поместить наблюдаемый объект в среду с достаточно высоким показателем преломления без повреждения самого объекта.

Тем не менее во второй половине XIX в. появляется целый ряд иммерсионных систем объективов:

«Гартнак в этой системе последовал примеру, данному Амичи в 1850 г., и поместил между покровным стеклом и свободной поверхностью нижней линзы тонкий слой воды... Так как вода сильнее преломляет, чем воздух, то благодаря этому значительно ослабляется, или даже совсем отпадает, отражение света с поверхности объектива. Поэтому в микроскоп попадает большее количество лучей, и, таким образом, тонкий слой воды производит то же самое действие, что и увеличение апертуры микроскопа. Это благоприятное действие сказывается преимущественно на краевых лучах, падающих наиболее косо... поэтому указанный слой должен повышать разрешающую способность микроскопа». На этом пути Эрнст использовал кедровое масло, которое давало преимущество в 1,34 раза перед водой.

А вот какое столкновение с настоящим нас ждет далее... В прошлом году заголовки многих новостных лент о науке кричали:" Нобелевская премия по химии 2014 была вручена за СОЗДАНИЕ методов ультрафиолетовой микроскопии", а далее охи-вздохи о том, что дескать эти ученые изобрели способ смотреть дальше, чем половина длины волны видимого спектра. Но это не так, ученые сами по себе молодцы, усовершенствовали давно начатое, а вот глашатаи сбивают с толку ужасно! Аббе сам этот предел возможного открыл, сам же его и превозмог. Что мы имеем, когда размышляем об увеличении разрешающей способности объектива. Он приготовил нам головоломку. При наблюдении с помощью белого света в образовании видимого глазом изображения доминируют те лучи, которые обладают наибольшей интенсивностью в видимом спектре. Длина волны таких лучей, как правило, соответствует желто-зеленому цвету, т.е. может быть принята приблизительно равной 0,55 мкм. Более короткие волны, соответствующие синим лучам, позволяют вести наблюдение в монохроматическом свете с большим эффектом; полезность этого способа при наблюдении мельчайших деталей уже давно была известна микроскопистам. Еще благоприятнее становятся условия образования изображения при фотографической съемке объектов через микроскоп, так как при этом являются наиболее подходящими фиолетовые лучи с длиной волны, равной примерно 0,40 мкм. Многочисленными опытами установлено, что разрешающая сила объектива значительно выше в том случае, когда он используется для фотографии, по сравнению с тем случаем, когда оно применяется визуально. Фотографический снимок не только обнаруживает более тонкие детали, но и дает большую гарантию сходства изображения с материальным объектом, что является весьма ценным свойством микрофотографии для трудных условий наблюдения даже там, где речь идет не о пределе разрешения, а где подобие изображения объекту является в какой-то степени проблематичным. Ничто не препятствует идти дальше в этом направлении и мыслить себе микроскопические наблюдения с помощью лучей, лежащих сколь угодно далеко за пределами видимого спектра в ультрафиолетовой области. Хотя получаемые в этом случае изображения наблюдать непосредственно невозможно, зато их можно сделать видимыми с помощью флюоресцирующих веществ. Оптика при этом должна располагать для изготовления объективов материалами, которые были бы по меньшей мере столь же прозрачны для ультрафиолетовых лучей, что и горный хрусталь, и не имели его других свойств, исключающих возможность использования его для этих целей; одновременно должны быть найдены среды для объектов и иммерсионные жидкости, прозрачные также и для ультрафиолетовых лучей. Это указание свидетельствует о том, насколько нужно оторваться от реального опыта, чтобы рассчитывать на существенные сдвиги в микроскопии с этой точки зрения. И все это слова Аббе.

Возвращаясь к мыслям Аббе относительно расширения возможностей микроскопа как инструмента научного исследования, хочется вспомнить его слова, обращенные в будущее микроскопии:

«Современная наука, — писал Аббе, — признает, что возможности нашего органа зрения ограничены самой природой света и эта граница не может быть превзойдена с помощью всего арсенала современного естествознания... Возможно, что человеческому разуму удастся подчинить себе такие процессы и силы, которые позволят совершенно другими путями преодолеть препятствия, которые нам кажутся сейчас непреодолимыми. Эту надежду разделяю и я. Однако я верю, что те приборы, которые помогут нам в нашем познании последних элементов материального мира в большей степени, чем современные микроскопы, не будут иметь с последними ничего общего, кроме названия». Хм, некоторое жамевю ли у нас, хотя может лишь показалось.

Хочется добавить немного чувственного прощания, это было прекрасное время, проведенное с человеком, который вдохновляет своими трудами, своей жизнью, хочется оставить в стороне все пустое и излишнее, занимаясь с утра и до вечера делом, усердно.

С вами есть Евгения Локес.