5. Работы по спектроскопам
Этот раздел работ Ломоносова изучен весьма мало. Я упомяну лишь некоторые из них.
а. Входная щель. До начала XIX в. при рассмотрении спектров Солнца в качестве входной диафрагмы употребляли исключительно круглые отверстия. Ломоносов, используя спектроскоп для экспериментов по природе света и цветосмешению, по-видимому, впервые применил входную щель. В «Записках» под № 24-6 он пишет: «Луч впускать в камеру-обскуру щелью, некруглою дирою».91 Здесь внутренняя часть спектроскопа естественно называется «камерой-обскурой», ибо в большинстве случаев телескопчик для рассматривания спектров отсутствовал и спектры просто проектировались на экран. Следует иметь в виду, что щель, а не круглое отверстие в схеме спектроскопа употреблял еще и Ньютон (а может быть, и другие), в частности в 1675 г. в «Оптике» он пишет: «Однако вместо круглого отверстия F лучше брать удлиненное отверстие».92 Позднее на эту деталь не обратили внимания и продолжали, по-видимому, использовать круглое отверстие.
б. Коллиматорная линза. Ломоносов, по-видимому вперъые, ввел в конструкцию спектроскопа коллиматорную линзу — об этом сообщается в виде схем в «Записках» под № 161 (19).93
Есть три соответствующие схемы: 1) с отрицательной линзой в виде коллиматора для однопризменной комбинации, 2) то же с положительной линзой и 3) то же с положительной линзой, но в двухпризменной комбинации.94 Это очень важный момент в истории конструкций спектроскопов, ибо в случае падения на призму не параллельных лучей изображение точки получается не гомоцентрическим, а отягощенным аберрациями. Это одна из причин того, что Ян Марек Марци в Праге в 1648 г., Ньютон в Англии в 1666 г. и другие не смогли рассмотреть замечательный линейчатый спектр Солнца с непонятными «пропастями» (по выражению Вавилова95) на ярком фоне солнечного спектра, спектральными «иероглифами», которые смог в общих чертах рассмотреть У. -Х. Волластон (1802 г.), а подробно — только Фраунгофер (1814 г.), который, как считалось до сего времени, ввел коллиматор.
Интересно, что на известном рисунке академика Г. -В. Крафта установки для разложения солнечного света призмой в темной комнате Кунст-камеры96 Петербургской Академии наук в первой половине XVIII в. (т. е. до Ломоносова) также нет щели (а круглое отверстие), нет линзы коллиматора и все же, несмотря на это, на экране в спектре видны темные полосы (какими их видел позднее Волластон). Но полосы ли это или же фантазия гравера-художника — неизвестно, ибо считается, что линии поглощения еще не были открыты. Таким образом, в отличие от общепринятого мнения, мы считаем, что впервые коллиматорная линза в спектроскоп была введена Ломоносовым примерно в 1752 г. и, следовательно, на 52 года раньше Фраунгофера (рис. 3).
Необходимо отметить, что, например, Вавилов в примечаниях к «Оптике» Ньютона называет спектральную установку, подобную употреблявшейся Ньютоном, «коллиматорная установка, до сих пор применяющаяся в спектроскопии».97
Рис. 3. Применение М. В. Ломоносовым коллиматорной линзы в трех вариантах (оригинальный рисунок из «Записок»).
Но в данном случае это не коллиматор, который имеется обычно в виду. Употребляется одна линза перед или после спектральной призмы, которая проектирует пучок лучей, например, на грань последней не параллельно, ибо одновременно проектирует его на экран для рассматривания спектров.
Волластон в 1802 г. тоже, по-видимому, еще не употреблял коллиматорной линзы в полном смысле этого слова,98 хотя употреблял уже спектральную щель в 11/4
в. Дифракционные решетки. В «Химических и оптических записках» Ломоносова под № 162-20 есть на рисунке изображение двух решеток, с подписью внизу слева: «решетки чаще», а справа: «и реже»99 (рис. 4).
Решетки по виду на рисунке напоминают обычные проволочные дифракционные решетки, и сейчас применяемые в астрономии при необходимости малой дисперсии и гашения яркого компонента двойных звезд. Если это так, то левая решетка имеет меньшую постоянную, а правая — большую, и они дают соответственно большую или меньшую угловые дисперсии.
́льшим или меньшим шагом. Во всяком случае решетки сделаны для спектральных целей, ибо первая фраза этой записки перед рисунком гласит: «Смешение цветов призматических показать сложением двух призм».100 При этом на верхнем рисунке изображены три стеклянные пластинки, сложенные каждая из двух цветных призм-клиньев (например, красного и синего), а внизу — две решетки с частыми и редкими щелями соответственно. Если это действительно дифракционные решетки, то это очень интересно и важно, ибо считается, что само явление дифракции открыто позднее. При конечном же расстоянии от источника дифракционное явление изучено О. -Ж. Френелем в 1815—1818 гг., а в параллельных пучках (т. е. с коллиматорной линзой101) то же явление изучил Фраунгофер в 1821—1822 гг. Это и привело его к открытию дифракционных решеток как спектральных приборов. Первые решетки он делал из проволоки, которую наматывал на два параллельных болта. Это были «растровные» решетки. Затем он их нарезал в виде канавок по золотой фольге, нанесенной на стекло («отражательные» решетки), а впоследствии он нарезал алмазом канавки прямо на стекле (это «прозрачные» дифракционные решетки).
Рис. 4. Вероятное применение М. В. Ломоносовым (в цикле работ по сложению цветов) грубых дифракционных решеток (оригинальный рисунок из «Записок»).
внизу слева «решетка чаще», а справа — «и реже».
— почти исключительно на алюминиевой и хром-алюминевой (хром в виде подложки, он хорошо прилипает к стеклу, а к нему хорошо прилипает алюминий) фольге, нанесенной на стекло. Алюминий отражает 90%, а зеркальный металл — всего лишь 60% света и к тому же быстро тускнеет со временем. В Америке нарезкой хороших отражательных решеток на зеркальном металле прославился в конце XIX в. Г. Роуланд, а в XX в. — Р. Вуд и другие.
В настоящее время в СССР нарезаются лучшие и самые большие отражательные решетки на алюминиевом фильме (Ф. М. Герасимов и др.). Обычно считается, что первая дифракционная решетка была изготовлена американским механиком, физиком и астрономом Ф. Риттенгаузом в 1785 г. Но это открытие прошло незамеченным и было забыто вплоть до вторичного изобретения в 1821 г. Фраунгофером. Может быть, это открытие было сделано еще на 20—25 лет раньше Ломоносовым и тоже прошло, как и многие его другие работы, незамеченным. В связи с этим представляет интерес найти дополнительные документы, в частности в рапортах мастеров, которые, вероятно, их изготовляли. Интересно отметить, что многие свои приборы Ломоносов копировал, срисовывая их с экрана камеры-обскуры. Например, в «Записках», № 31 (1), мы читаем:
«Махины мои срисовывать все в камере-обскуре».102 Камера была изобретена еще в XVI в. (Леонардо да Винчи и др.). Кеплер, а позднее Рэлей создали ее теорию. По последнему, оптимальное входное отверстие для получения резкости равно по диаметру 
(F — расстояние от отверстия до экрана, λ — длина волны). Камера-обскура имеет преимущество перед линзовой (описанной в 1558 г. Барборо), ибо лишена дисторсии (искажения масштаба) и годится для работы с рентгеновскими и вообще УФ-лучами, что и используется сейчас.
Венцом всех перечисленных выше астрофизических инструментальных работ явилось открытие, постройка и проверка однозеркального телескопа Ломоносова. В обращении к Канцелярии Академии наук в Петербурге он писал 21 апреля 1762 г.: «Изобретен мною новый род катодиоптрической трубы об одном большом зеркале без малого, который, ежели к совершенству приведен будет, то превзойдет простотою и чистотою известные поныне таковые инструменты и будет служить к чести Академии».103
Венцом всех не инструментальных астрофизических исследований Ломоносова явилось открытие атмосферы у планеты Венеры.
Примечания
91
92 Ньютон И. Оптика. 2-е изд. М., 1954, с. 57.
93 ПСС, т. 4, с. 458—459.
94 Там же.
95 С. И. Глаз и Солнце. Изд. 5-е. М. — Л., 1950, с. 55.
96 Там же, с. 17, рис. 6.
97 Ньютон И. Указ. соч., с. 326.
98 W. A method of egsamenning refractive and dispersive powers by prismatic refraction. — Phil. Magaz., 1802, vol. 92, p. 378 (цит. по: Naturwiss., 1926, S. 541).
99 ПСС, т. 4, с. 459.
100 Там же.
101 Коллиматор используется для получения части фронта плоской волны. Но это условие выполняется лишь приближенно из-за конечных размеров источника света (щель) и из-за явления дифракции.
102
103 ПСС, т. 9, с. 380.