Зеркала познания

     Так вот: с пастой ГОИ надраить бляху до зеркального блеска было гораздо проще, чем простой суконкой с зубным порошком. За этим интеллектуальным занятием мне часто вспоминалось сожжение римских кораблей под руководством хитроумного Архимеда. Помните, при осаде Сиракуз?

     Оказалось, что это – красивая технократическая легенда. Многочисленные опыты с десятками и даже сотнями зеркал, в том числе и проведенные знаменитыми «Разрушителями легенд», показали, что таким способом (сконцентрировав множество солнечных «зайчиков» в одном месте) невозможно поджечь даже бумагу, не говоря уже о мокром борте римской галеры. А может, дело в том, что у сиракузян не было пасты ГОИ и медные зеркала плохо отражали свет?

Архимед жжет. Гравюра: Theodor Galle, www.archive.org

НАДО СКАЗАТЬ, что люди страдали нарциссизмом с самого начала. Древнейшие находки датируются IV–III тысячелетием до нашей эры и представляют собой бронзовые и обсидиановые (из вулканического стекла) диски на длинной ручке. Нерабочая сторона украшалась гравировкой, а вот с отражающей поверхностью мастерам приходилось возиться долго. В этом пришлось убедиться Ньютону, когда он принялся за создание телескопа новой конструкции. Вообще-то идея телескопа, в котором вместо линзы используется зеркало, принадлежит шотландцу Джеймсу Грегори. Но только идея! В жизнь ее воплотил Ньютон, немного изменив оригинальную схему. Для сферического зеркала диаметром всего 30 мм он выбрал мышьяковистую бронзу, известную своей ковкостью и твердостью еще со времен египетского Среднего царства, с небольшой добавкой сурьмы, образовывавшей на поверхности серебристый налет. Потратив несколько недель на шлифовку и полировку бронзовой заготовки, Ньютон в 1704 году изготовил телескоп с большим по тем временам 40-кратным разрешением. Эта работа не была самодурством ученого, а воплощала итоги долгих размышлений о принципиальных недостатках рефракторов – телескопов, в которых свет преломлялся большой линзой, порождая трудноустранимые искажения-аберрации (лат. аberratio – «уклонение, удаление, отвлечение»).

Бронзовое зеркало (www.eguptan.sk), Обсидиановое зеркало (www.ancient-origins.net)

ПОЧЕМУ ЖЕ НЬЮТОН в начале просвещенного XVIII века обратился к античным технологиям, а не к французам или венецианцам, известным стекольных дел мастерам? Все просто: в зеркалах прежде всего важно не стекло само по себе, а качество отражающей поверхности. Пластичность, плотность и однородность – вот те его свойства, которые помогают создать подходящие основы для отражающих пленок, а прочная отвердевшая прозрачная масса предохраняет от царапин. Но в телескопе зеркало можно считать защищенным самой конструкцией, поэтому Ньютон посчитал стеклянный слой на пути световых лучей лишним.

     И все же без обычного зеркала не обошлось. В рефлекторе Ньютона оно поворачивало отраженные от главного зеркала лучи на 90 градусов (предвосхитив устройство перископов и зеркальных камер), давая возможность наблюдателю смотреть в боковой окуляр, перпендикулярный главной оптической оси. Для этого не понадобилось изобретать что-то совершенно новое: зеркала к тому времени уже вошли в обиход богатеев. Во времена господства венецианцев на зеркальном рынке большое зеркало в серебряной раме было в 15–20 (!) раз дороже полотна Рафаэля такого же размера. А ростовое зеркало вообще стоило больше, чем шхуна типа «Испаньолы» водоизмещением 200–300 т.

Телескоп Ньютона. www.prints.royalsociety.org

ПРИЧИНА ТАКОЙ БЕЗУМНОЙ дороговизны – в примитивности технологий. Главной проблемой венецианских мастеров было получение… плоских листов стекла. Казалось бы, чего проще: расплавь промытый кварцевый песок, смешанный с известью и содой (или мелом и поташом), и вылей в широкую плоскую ванну с низкими бортами! А вот и нет – довести стекло до жидкого состояния средневековым стеклоделам (а до них – древнеримским) не удавалось. Максимум, чего они добивались, – это состояние густого тягучего сиропа, который упорно не хотел растекаться по плоскости, а застывал, образуя бесполезные прозрачные комья.

     И все же венецианцы нашли компромисс – так называемый «лунный» способ, требовавший недюжинной силы и необъятных легких. Судите сами: легко ли выдуть большой стеклянный шар массой 8–10 кг? Нелегко, поэтому стеклодувов косила профессиональная болезнь – эмфизема легких, сильно сокращавшая и без того недолгий век средневекового европейца. Получив стеклянную сферу большого диаметра, мастера прикрепляли к ней понтию – железный стержень с куском нагретого стекла на острие. Затем заготовку сильно раскручивали, и сфера превращалась в стеклянный блин довольно большого диаметра, который потом оставалось нарезать на куски. Позже от сферических заготовок отказались в пользу цилиндрических, но принцип получения все равно оставался неизменным.

ВЕНЕЦИАНСКИЕ ДОЖИ охраняли секреты стеклоделия почище китайских императоров. Еще бы: в одну только Францию ежегодно экспортировалось не менее 200 ящиков зеркального стекла по умопомрачительным ценам. И это не считая посуды, тоже стоившей приличных денег. Такое положение возмущало французских королей, но на радикальные меры решился только Людовик XIV, шокированный выходкой королевы-матери, небезызвестной Анны Австрийской: на один из балов она явилась в платье, украшенном тысячами осколков зеркал!

     Страшно представить, какие громы и молнии метал монарх, когда узнал, сколько оно стоит. Его легендарная скупость была уязвлена самым жестоким образом, и Людовик вызвал на ковер министра финансов Кольбера. Тогдашние управители казны имели широчайшие полномочия, включающие в себя и функции разведки. А пройдоха Кольбер и вовсе не гнушался какими-то приличиями и немедленно приступил к операции, которой могли бы позавидовать Джеймс Бонд, Штирлиц и Отто Скорцени вместе взятые.

«Лунный» способ требовал завидного здоровья. www.quod.lib.umich.edu

РЕЗУЛЬТАТОМ ОПЕРАЦИИ стало открытие небольшого зеркального заводика в городке Турлявиль недалеко от Шербура в Нормандии (кстати, недалеко от него разворачивалось действие фильма «Спасение рядового Райана»). Он был первым среди 30 мануфактур, покончивших с венецианской монополией, а венцом стал королевский патент, выданный в октябре 1665 года и узаконивший создание Парижской зеркальной мануфактуры (Manufacture des Glaces de Miroirs). Ее наследницей стала знаменитая фирма Saint-Gobain, благополучно существующая и в наши дни. А первым крупным заказом были 306 зеркал для 73-метровой Зеркальной галереи Версальского дворца, призванной показать блеск власти «короля-солнце».

ФРАНЦУЗЫ, СОВЕРШИВ зеркальный переворот, оставили без изменений технологию нанесения отражающей поверхности. Как и у венецианцев, ею оставалась оловянная амальгама, жидкий сплав ртути с металлом, прилипающий к любой отполированной поверхности. Налитая амальгама растекалась тонким слоем по стеклу, излишки удаляли, а полученный слой покрывали защитным слоем краски. И все бы хорошо, если бы не ядовитые пары, которыми в изобилии дышали мастера, и неважнецкое отражение: амальгама отражает чуть более 70 % света, давая тусклое изображение.      Французов это мало беспокоило, так как массовое производство зеркал привело к радикальному падению цен. Теперь зеркала вошли в быт не только знати, но и рядовых обывателей. А к середине XIX века рынок подвергся демпингу со стороны немецких и богемских зеркальщиков, на стороне которых было одно очень важное усовершенствование. Трудами выдающегося немецкого химика Юстуса фон Либиха, «отца» органической химии, ртуть была навсегда исключена из производства зеркал. Ее место заняло безвредное серебро, которое еще и обеспечивало несравненно лучшее качество – ведь оно отражает более 90 % падающего света. Аммиачный раствор окиси серебра быстро и крепко пристает к стеклу, не нуждаясь в припрессовывании и образуя прочную отражательную пленку. Метод Либиха, претерпев небольшие изменения (вместо серебра сейчас чаще применяется алюминий и другие металлы), благополучно дожил и до наших дней. Вместе с технологией вакуумного напыления он остается основным в производстве зеркал.

В Зеркальной галерее Людовик XIV принимал послов - производил впечатление. Фото: John R Rogers, www.grrblog.com

БОЛЬШЕ ВСЕГО ТЕХНОЛОГИИ Либиха обрадовались астрономы: еще бы, сферическая или параболическая поверхность, отражающая столько света и покоящаяся на стабильном основании, может иметь гораздо больший диаметр, чем линза, закрепленная только за края и склонная к деформации под действием собственного веса.

     Рефракторный рекорд – 40 дюймов (102 см) – был установлен в конце XIX века в телескопе Кларка, в Йеркской обсерватории (США). Между тем еще в 1789 году Уильям Гершель построил 48-дюймовый телескоп-рефлектор. Справедливости ради надо отметить, что инструмент, несмотря на формальную грандиозность, получился так себе. Металлическое бронзовое зеркало толщиной 9 см весило больше тонны и сильно деформировалось из-за неудачной конструкции подвеса. Полированная поверхность потемнела за считанные месяцы и начала трескаться. С похожими трудностями столкнулся и Уильям Парсонс, астроном по призванию и могущественный землевладелец по положению, больше известный в истории как лорд Росс. Он построил 72-дюймовый (182 см) рефлектор с металлическим зеркалом и с его помощью успел совершить ряд открытий, пока зеркало не испортилось.

     На этом фоне рефракторы-«доллонды» (названные в честь изобретателя, англичанина Джона Доллонда) с составными линзами из частей с разными коэффициентами преломления (крон- и флинт-стекла), значительно снижавшими хроматические аберрации, смотрелись предпочтительней. Но метод Либиха изменил статус-кво, оставив рефракторы на обочине прогресса. Стекло, заменив металл в зеркалах в качестве основы, оказалось подходящим материалом. При соблюдении определенных правил оно не деформировалось от нагрева, оптические характеристики зеркала отличались стабильностью, а серебряная пленка обеспечивала превосходное качество изображения.

ОКОНЧАТЕЛЬНОЕ ВОЦАРЕНИЕ рефлекторов на астрономическом троне связано с именем французского физика Леона Фуко (маятник в Исаакиевском соборе – тоже его рук дело). Теневой метод контроля криволинейных отражающих поверхностей для создателей телескопов – примерно то же самое, что и конвейер Форда для машиностроителей. Этот метод, простой и чрезвычайно эффективный, позволяет при обработке избежать большинства дефектов и создать идеальный отражающий сфероид или параболоид.

     Только недавно лазерная интерферометрия в связке с компьютеризованными шлифовальными машинами вытеснила метод Фуко из практики производства, позволяя добиваться фантастической точности: ведь погрешность отклонения формы не должна превышать половины длины волны рабочего диапазона. Для оптического телескопа это значит всего 300–500 нм (толщина человеческого волоса – 50 000 нанометров) на площадях в десятки квадратных метров!

     Добиться такой точности с помощью пасты ГОИ невозможно, поэтому финишная обработка заготовок проводится в вакуумных ионно-лучевых установках, где поверхность бомбардируется пучками ионов ксенона и аргона, вырывающими из стекла буквально по атому! А само отражающее покрытие – многослойный «бутерброд» из нескольких сотен 2-нанометровых слоев алюминия, диоксида титана и диоксида кремния, поднимающих коэффициент отражения до 95–98 %.

А ЧТО ВЫ СКАЖЕТЕ О ТЕЛЕСКОПЕ с 40-метровым зеркалом, рядом с которым померкнет знаменитый «Хаббл»? Речь идет о проекте E-ELT (European Extremely Large Telescope), реализация которого началась весной 2010 года, а общая стоимость превысит $1,5 млрд. Конечно, даже современные технологии не дают возможности изготовить цельную заготовку таких циклопических размеров. Поэтому конструкторы предпочли сегментную структуру: главное зеркало будет состоять из 798 управляемых элементов диаметром в 1,45 м и толщиной 50 мм.

     Но сделаны они будут уже не из стекла и даже не из бериллия (как у телескопа James Webb), а из литий-алюмосиликатной стеклокерамики Zerodur, выпускаемой немецкой фирмой Schott. Этот материал (аналоги – отечественный астроситалл, выпускаемый Лыткаринским заводом оптического стекла, и японский Clearceram-Z фирмы Ohara) отличается чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения и прекрасно зарекомендовал себя в передовых астрономических инструментах – таких как телескопы KECK I и KECK II. И кто знает, какие тайны отразятся в этом суперзеркале, когда в него посмотрит Вселенная?

Zerodur - зеркальное будущее. Фото: www.schott.com