Йозеф Петцваль: Жизнь и научные достижения

Введение

Словацкий физик, математик и изобретатель Петцваль учился и впоследствии преподавал в Институте геометрии (в настоящее время Будапештский технологический и экономический университет) в Буде (сегодня часть Будапешта). Он руководил Институтом практической геометрии и гидрологии/архитектуры с 1841 по 1848 год. Позднее в жизни он принял предложение занять кафедру математики в Венском университете. В 1873 году Петцваль был избран членом Венгерской академии наук. Петцваля считают одним из главных основателей геометрической оптики, современной фотографии и кинематографии. Среди его изобретений – портретный объектив Петцваля и оперный бинокль, которые до сих пор широко используются. Ему также приписывают открытие преобразования Лапласа, и он известен своими обширными исследованиями аберраций в оптических системах.

Ранние годы

В 1801 году отец Джозефа Петцвала женился на Сюзанне Кройцманн, немке из области Зипсер, родившейся в Сзепешбеле, Королевстве Венгрия, дочери прежнего учителя той же школы в Сзепешбеле. У супругов было шестеро детей: Густав Адольф (1800–1803), умерший в раннем возрасте; Нестор Эмилиан (1804–1806); Иосиф Максимилиан (1807–1891); Петрол Балтазар (1809–1889) и три дочери. В 1810 году семья переехала в Кежмарк (нем. Käsmark, ныне Кежмарк, Словакия), а в 1819 году – в Левочу (нем. Leutschau, ныне Левоча, Словакия). Все члены семьи проявляли склонность к технике. Отец Джозефа работал учителем в евангельской школе в Сзепешбеле, а также был органистом в Сзепешбеле и позднее в Кежмарке. Кроме того, он был капельмейстером и геодезистом в Левоче. Он пользовался репутацией выдающегося музыканта и композитора, обладавшего также механическими способностями. В 1824 году он получил два патента: один – за усовершенствования маятниковых часов, другой – за "полиграф" (пишущую машинку). Брат Петцвала, Петрол Балтазар Петцвал, был известным математиком, инженером и астрономом.

Образование

Джозеф Петцваль учился в начальной школе в Кезмарке и начал обучение в средней школе в Кезмарке и Подолине (на немецком языке: Pudlein, ныне Подолинек, Словакия). 1 октября 1819 года он вернулся к своей семье в Лёцце и поступил в гимназию. Как в начальной, так и в средней школе он был одним из лучших учеников по латыни (официальному языку Королевства Венгрии) и религии, однако испытывал трудности с венгерским языком. До прибытия в Лёцце он также был очень слаб в математике. Однако в Лёцце он заметно улучшил свои знания в этой дисциплине. Один из рассказов о Петцвале гласит: когда его семья уже решила сделать из Петцваля сапожника, он прочитал книгу немецкого математика Хаузера «Аналитические основы математики» во время летних каникул, сразу после окончания четвертого класса начальной школы. Он готовился к повторному году обучения по математике. После прочтения книги мальчик, который был слабым учеником по математике, быстро стал математическим гением. После окончания гимназии Петцваль решил поступить в Институт геометрии – инженерный факультет Пештерского университета. Прежде чем это сделать, ему пришлось пройти двухлетнее обучение в лицее, которое он посещал с 1823 по 1825 год в Кассе (на немецком языке: Kaschau, сегодня Кошице, Словакия). К 1823 году, когда он туда прибыл, Петцваль уже хорошо владел латынью, математическим анализом, классической литературой и стилистикой. Помимо словацкого, он свободно говорил на чешском, немецком и венгерском языках. С помощью отца он также выучил французский и английский языки.

Дальнейшее обучение и карьера

После окончания лицея Петцваль в течение года работал воспитателем у графа Алмасси в жупании Хевеш. Помимо необходимого заработка, этот опыт обеспечил ему важные социальные связи. С 1826 по 1828 год Петцваль учился в Институте геометрии в Буде и в 1828 году получил диплом инженера. В том же году он поступил в аспирантуру университета и стал неофициальным помощником заведующего кафедрой физики (в 1831 году). С 1828 по 1835 год Петцваль одновременно работал городским инженером в Буде, специализируясь на борьбе с наводнениями и строительстве канализационных систем, а также изучал математику, механику и практическую геометрию. Он разработал нереализованный проект по созданию судоходного канала вокруг Буды. В 1830 году его расчеты для плотин спасли город от затопления, вызванного разливом Дуная. После получения докторской степени в 1832 году он преподавал в университете в качестве доцента. В этот период он также получил степень по математике. В 1835 году он был назначен профессором высшей математики. Получив приглашение в Венский университет в 1836 году, Петцваль в 1837 году принял должность заведующего кафедрой математики и работал там до 1877 года в качестве профессора математики. Помимо математики, он занимался механикой, баллистикой, оптикой и акустикой. Его лекции по теории алгебраических уравнений, в которых интегрировались линейные и дифференциальные уравнения с постоянными и переменными коэффициентами, баллистика, теория звука и другие области, отличались высоким качеством и пользовались большой популярностью. Петцваль переехал в арендованный заброшенный монастырь на горе Каленберг, где основал собственную мастерскую по шлифовке стекла. Его линзы приобрели всемирную известность, поскольку Петцваль был также опытным шлифовщиком линз и мастером-механиком. В 1840 году он сконструировал свой знаменитый портретный объектив. В 1845 году возник спор с предпринимателем Петером Вильгельмом Фридрихом фон Войтлендером (1812–1878) о правах на производство линз Петцваля. В 1859 году в дом Петцваля проникли воры, и его рукописи, плод многолетних исследований, были уничтожены. Петцваль так и не смог восстановить утраченные документы. Его наиболее глубокая техническая работа по оптике, погибшая вместе с рукописями, так и не была опубликована. С тех пор он посвятил себя в основном акустике и начал отдаляться от общества. Его предприятие с Карлом Дитцлером потерпело крах в 1862 году (см. ниже); Дитцлер умер в 1872 году. В 1869 году, в возрасте 62 лет, Петцваль женился на своей экономке, но она скончалась через четыре года. В 1877 году он прекратил преподавание, уединился в монастыре на Каленберге и стал отшельником. Петцваль умер в Вене в 1891 году, почти забытый, разочарованный и нищий. Его могила находится на Центральном венском кладбище. Его горечь в конце жизни, вероятно, была вызвана, с одной стороны, продолжающейся полемикой с Войтлендером, потерей рукописей и неудачей в бизнесе, а с другой – тем, что его вклад в оптику так и не был должным образом признан. Незадолго до смерти Петцваль, как сообщается, сказал:

After completing the Lyceum, Petzval worked for a year as an educator for Count Almássy in the Heves county. In addition to bringing in some urgently needed money, this experience also provided him with important social contacts. From 1826 to 1828, Petzval studied at the Institutum Geometricum in Buda, and earned an engineering diploma in 1828. In the same year, he joined the graduate degree program of the university, and became the self appointed adjunct chair for the Physics Department (in 1831). From 1828 to 1835, Petzval simultaneously worked as an urban engineer for the city of Buda—particularly as a specialist in flood abatement and sewers—and studied mathematics, mechanics and practical geometry. He authored an unrealized plan to build a navigation channel around Buda. In 1830, his dam computations saved the city from an inundation caused by the flooding of the Danube. After he received his Ph. D. in 1832, he taught as an associate professor at the university. During this period, he also received a degree in mathematics. In 1835, he was appointed a university professor in higher mathematics. After being invited to the University of Vienna in 1836, Petzval accepted a position of the chair of mathematics there in 1837, and worked until 1877 as a professor of mathematics. Apart from mathematics, he was also concerned with mechanics, ballistics, optics, and acoustics. His lectures on the theory of algebraic equations, which integrated linear and differential equations with constant and variable coefficients, ballistics, acoustic theory, and other areas were high quality and became well attended. Petzval moved into a rented abandoned monastery at Kahlenberg mountain. He founded his own glass sharpening workshop there. His lenses became world famous because Petzval was also a skillful lens sharpener and precision mechanic. In 1840, he designed his famous portrait lens. 1845 brought disputes with the entrepreneur Peter Wilhelm Friedrich von Voigtländer (1812–1878) over who had the right to produce Petzval's lenses. In 1859, Petzval's home was broken into, and his manuscripts — a result of many years of research — were destroyed. Petzval never managed to reconstruct the lost documents. His most refined technical book on optics, lost with his manuscripts, would never appear in print. From then on, he primarily concerned himself with acoustics and began to withdraw from society. His enterprise with Carl Dietzler failed in 1862 (see further below); Dietzler died in 1872. In 1869, at the age of 62, Petzval married his housekeeper, but she died four years later. In 1877, he stopped lecturing, withdrew to a monastery on Kahlenberg, and became a hermit. Petzval died in Vienna in 1891, nearly forgotten, embittered, and destitute. His grave is in the Viennese central cemetery. His bitterness at the end of his life can probably be traced, on the one hand, to his continuing controversy with Voigtländer, the loss of his manuscripts, and his business failure; and on the other hand, to the fact that he was never really acknowledged for his lifelong work in the field of optics. Just before his death, Petzval was reported to have said:

"Я покорил свет, я держу его в своих руках, ибо во мире немало и тьмы."

Личная жизнь и хобби

Петцваль был хорошим спортсменом и наездником. В детстве он часто путешествовал с семьей в Высокие Татры и был увлеченным спортсменом. В Вене он долгое время считался лучшим фехтовальщиком и бойцом на ринге в городе. Кроме того, он унаследовал от отца прекрасные музыкальные способности. По слухам, будучи лектором в Вене, он всегда ездил на лекции на черном арабском коне. Петцваль не любил рассказывать о своей личной жизни и поэтому оставался довольно загадочным для окружающих при жизни. Как описал доктор Эрмений в своей книге «Жизнь доктора Йозефа Петцваля»:

«…он доходил до того, что всегда вставлял пустую отметку, например, использовал ежегодный справочник Императорской Академии наук, в любом месте, кроме имен членов, где указывались дата и место рождения, в этот столбец». В конце жизни он жил во все возрастающей изоляции в своем «замке» на Каленберге, лишь в компании лошади, хотя многие академии и научные общества избрали его своим членом (член Венской Академии наук (1846/1849), иностранный член Венгерской Академии наук (1873), почетный член Союза чешских математиков и физиков (1881), обладатель французской платиновой медали имени Карла Шевалье и другие).

Споры

Петцваль предъявлял к себе и другим очень высокие требования. Это, вероятно, было связано с его критичным, полемичным и саркастичным характером, который приводил к многочисленным конфликтам, особенно в области математики. Петцваль вел полемику с Кристианом Доплером по вопросам акустики, на что Доплер ответил в 1852 году книгой под названием «Замечания к возражениям, высказанным профессором Петцвалем относительно правильности моей теории». В частности, он был вовлечен в длительные споры с предпринимателем Войтлендером. Они начались в 1845 году, когда Петцваль впервые заявил о мошенничестве. Поскольку патент Петцваля действовал только в Австрии, Войтлендер перенес производство в Брауншвейг (Германия), где в течение последующих 20 лет было произведено около 60 000 линз Петцваля. Петцваль, со своей стороны, с 1854 года сотрудничал с австрийским производителем оптики Дитцлером. Линзы последнего продавались в Австрии под названием «фотографический Dialyt», а Войтлендер реализовывал их в Германии и Австрии как «Voightländer Orthoskop». После дальнейших вмешательств Войтлендера Дитцлер обанкротился в 1862 году. Когда Петцваль пригрозил судебным иском, Войтлендер закрыл свой австрийский завод в 1866 году. Петцваль мог бы взять на себя маркетинг, но отказался от работы с оптикой после ограбления его дома в 1859 году и вместо этого занялся акустикой. В 1862 году он также прекратил преподавание оптики.

Оптическая

Наибольшие достижения Петцваля лежат в его работе с геометрической оптикой. В 1839 году Луи Дагер представил дагерротип, первый коммерчески успешный фотографический процесс. Калотипия Фокса Талбота была открыта ранее, но не имела коммерческого успеха. Петцваль узнал об этом изобретении от своего друга, венского профессора Андреаса фон Эттинсгаузена. Дагерротип был проблематичен, поскольку для создания портрета требовалось время экспозиции до 30 минут. По настоянию Эттинсгаузена Петцваль организовал мастерскую и лабораторию на Каленберге в Вене и после шести месяцев сложных вычислений разработал проекты улучшенных объективов как для портретной, так и для пейзажной фотографии. Поскольку артиллерия была одной из немногих профессий, использующих передовые математические вычисления в то время, эрцгерцог Людвиг предоставил восемь артиллеристов и трех капралов для выполнения расчетов. Вычисления, которые эти люди проводили совместно, рассматривались как ранний (хотя и человеческий) пример параллельного компьютера. Портретный объектив Петцваля (Petzval Porträtobjektiv) представлял собой почти ахроматический четырехлинзовый объектив (Anachromatischer vierlinser) с четырьмя линзами в трех группах и минимальными искажениями. Интенсивность света этой плоской "портретной линзы" была значительно выше, чем у стандарта дагерротипа 1839 года – объектива Wollaston Chevalier. Экран с фокусным расстоянием 160 мм позволил значительно сократить время экспозиции, используя экспозиции всего около 15–30 секунд вместо прежних 10 минут. Таким образом, впервые стали возможны моментальные снимки. Портретный объектив состоял из склеенной двойной линзы спереди и двойной линзы с зазором сзади. Задняя двойная линза была необходима для коррекции сферической и коматической аберраций. Объектив Chevalier использовал две склеенные двойные линзы, но был немедленно заменен объективом Петцваля, что сделало Petzval Porträtlinse первым широко используемым склеенным объективом. Первые портретные объективы были довольно небольшими и имели диаметр 2,6 см. Объективы Петцваля 1856 года, произведенные Дицлером, имели диаметр 15 см и вес 15 кг, с помощью которых можно было делать портреты размером 33 x 42 см. В 1840 году Петцваль разрешил венскому предпринимателю Петеру Вильгельму Фридриху фон Войтландеру производить объектив за единовременную выплату в 2000 гульденов, без патента или контракта, что впоследствии привело к длительному спору между Петцвалем и Войтландером. Войтландер, подтвердивший процесс собственными расчетами, создал прототип в мае 1840 года и начал производство объективов для дагерротипных камер в 1841 году, заработав при этом значительное состояние. Термионические камеры изготавливались из латуни и использовали круглые дагерротипные пластины диаметром 8 см. В 1841 году было произведено 600 таких камер и продано по цене 120 гульденов. Войтландер получил медаль на Всемирной выставке в Париже за это достижение. Эти первые камеры с металлическим корпусом были прототипами современных камер. Прошло еще 50 лет, прежде чем появилась улучшенная камера. Портретный объектив Петцваля использовался вплоть до 1920-х годов (часто под другими названиями) в камерах и используется сегодня в проекторах. Объектив сыграл важную роль в развитии фотографии и кинематографа. Несмотря на все кажущиеся улучшения, Петцваль остался недоволен объективом и, после некоторых доработок, оставил его другим для производства и патентования. Камера с новым пейзажным объективом, произведенная Дицлером, имела легкую складную камеру с двойным мехом. Петцваль никогда не получал коммерческой прибыли от объектива. Среди других работ Петцваля – изобретение оперных биноклей, расчеты линзовых систем, приведшие к совершенствованию телескопа и микроскопа (1843), вычисления для эффективных биноклей и создание новых прожекторов (1847). Однако его план по строительству систем освещения для судов на Дунае не был реализован. Его специальная зеркальная лампа (лампа Петцваля), обеспечивавшая максимальное использование световой энергии, использовалась особенно для ярких проекторов, разработанных Петцвалем. Петцваля также можно считать изобретателем современной астигматической системы линз, основываясь на записях из его архива. Около 1860 года Петцваль проводил фотограмметрические измерения с использованием оборудования, которое он разработал. Он также научно доказал, что светящиеся твердые вещества излучают больше света, чем горящие газы. Карл Фрайхерр Ауэр фон Вельсбах позже применил этот принцип к газовой лампе, которую он спроектировал. Достижения Петцваля используются сегодня в кинематографе, астрономии и метеорологии. Объектив Astro Petzval используется в астрономии. Этот объектив позволял получать изображения больших участков неба без искажений, а также фотографировать галактики и звездные поля. Немецкие оптические компании (Töpfer, Voigtländerkorrigie, Zeiss) производили объектив Петцваля до 1940-х годов. Наибольший вклад Петцваля в оптику – это его теоретические основы для построения и коррекции оптических линзовых систем. Он провел фундаментальные работы по теории аберраций в оптических системах. Несколько ключевых терминов в этой области были названы в честь Петцваля:

Petzval's greatest achievements lie in his work with geometric optics. In 1839, Louis Daguerre presented the Daguerreotype, the first commercially successful photographic process. Fox Talbot's calotype was discovered earlier but did not enjoy commercial success. Petzval learned of the invention from his friend, Viennese professor Andreas von Ettingshausen. The daguerreotype was problematic in that it required exposure times as long as 30 minutes to create a portrait. With Ettingshausen's urging, Petzval set up a workshop and laboratory at Kahlenberg in Vienna and, after six months of complex computations, produced designs for improved objective lenses for both portraiture and landscape photography. Because the artillery was one of the few occupations that used advanced mathematical computations at the time, Archduke Ludwig lent eight artillery cannoneers and three corporals to the computational efforts. The calculations these men carried out in tandem with each other have been regarded as an early (albeit human) example of a parallel computer. Petzval's portrait objective lens (Petzval Porträtobjektiv) was an almost distortionless Anachromatischer vierlinser (double achromatic objective lens, with four lenses in three groups). The luminous intensity of this flat "portrait lens" was substantially higher than the daguerre standard of 1839, the Wollaston Chevalier lens The screen with a focal length of 160 mm made crucially shorter exposure times possible — using exposures of only about 15 to 30 seconds compared to the 10 minutes previously. Thus, snapshots became possible for the first time. The portrait objective lens consisted of a cemented double lens in front and a double lens with a gap in the back. The rear double lens was necessary for the correction of spherical and coma errors. The Chevalier lens used two cemented double lenses, but was immediately replaced by the Petzval lens, so that the Petzval Porträtlinse was the first cemented lens in widespread use. The first portrait objective lenses were rather small and had a diameter of 2.6 cm. The 1856 Petzval lenses produced by Dietzler had a diameter of 15 cm and a weight of 15 kg, with which one could make portraits measuring 33 by 42 cm. In 1840, Petzval allowed the Viennese entrepreneur Peter Wilhelm Friedrich von Voigtländer to produce the lens for a one time payment of 2,000 guldens, without a patent or a contract, which led later to a lasting controversy between Petzval and Voigtländer. Voigtländer, who had confirmed the process through his own calculations, produced a prototype in May 1840 and began production of the lens for the daguerrotype cameras in 1841, making a fortune in the process. The thermionic cameras were made from brass, using round daguerreotype plates which exposed a diameter of 8 cm. In 1841, 600 of these cameras were manufactured and sold at a price of 120 guldens. Voigtländer received a medal at the world exhibition in Paris for this achievement. These first metal body cameras were prototypes of today's modern cameras. It took another 50 years until an improved camera became available. Petzval's portrait objective lens was used into the 1920s (often under other names) in cameras and is used today in projectors. The lens played an important role in the development of photography and cinematography. Even with all its apparent improvements, Petzval was dissatisfied with the lens and, after some improvements, left it for others to produce and patent. The camera with the new landscape objective, produced by Dietzler, possessed a light foldable chamber with double bellows. Petzval never made a commercial profit from the lens. Among Petzval's other works are the invention of opera glasses, lens system calculations that led to the perfection of a telescope and microscope (1843), computations for efficient binoculars, and construction of new floodlights (1847). His plan for the construction of lighting systems for ships on the Danube could not be carried out, however. His special mirror lamp (Petzval lamp), which made possible a maximum utilization of light energy, was used particularly for the bright projectors developed by Petzval. Petzval can also be regarded as the inventor of the modern unastigmatic lens system, based on records from his estate. Around 1860, Petzval conducted photogrammetric measurements using equipment he had designed. He also proved scientifically that glowing solid compounds emit more light than burning gases. Carl Freiherr Auer von Welsbach later applied this principle to the gas lamp he designed. Petzval's achievements are used today in cinematography, astronomy, and meteorology. The Astro Petzval Objektiv lens is used in astronomy. This objective made a distortion free illustration of a large part of the sky, as well as permitting photographing of galaxies and star fields. German optics companies (Töpfer, Voigtländerkorrigie, Zeiss) produced the Petzval objective lens until the 1940s. Petzval's largest contributions to optics are his theoretical bases for the construction and correction of optical lens systems. He carried out fundamental work for the theory of aberration in optical systems. A few central terms of this field were later named after Petzval:

Поверхность Петцваля – это обычно изогнутая плоскость изображения не скорректированной оптической системы. В случае соблюдения условия Петцваля поверхность Петцваля плоская. К сожалению для физиков, Петцваль так и не опубликовал многотомный труд по оптике.

Математика

В математике Петцваль подчеркивал практическую применимость. Он говорил: "Человечество существует не ради науки, а наука должна использоваться для улучшения условий жизни человечества". Он работал над применением преобразования Лапласа. Его работа была очень тщательной, но не вполне удовлетворительной, поскольку ему не удалось использовать граничную интеграцию для обратного преобразования. Петцваль опубликовал статью в двух томах, а также обширный труд на эту тему. Конфликт со студентом Саймоном Спритцером, обвинившим Петцваля в плагиате идей Пьера Симона Лапласа, привел к тому, что под влиянием Спритцера математики Джордж Буль и Жюль Анри Пуанкаре впоследствии назвали это преобразование в честь Лапласа. Петцваль стремился математически описать практически все явления в окружающем его мире. Так, он пытался математически моделировать фехтование или бег лошади. Его увлечение математикой в конечном итоге привело к изобретению портретного объектива.

Акустика

В изучении акустики Петцваль уделял особое внимание колебаниям струн, дифференциальным уравнениям, описывающим эти колебания, и математической теории музыкальных инструментов. Он спроектировал пианино с тремя рядами клавиш. Петцваль разработал теорию колебаний натянутых струн, а также собственную теорию строя.

Мемориалы

Музей истории фотографии и кинематографии имени Йозефа Максимилиана Петцваля, являющийся частью Словацкого технического музея в Кошице, расположен в Спишской Белой, в доме, где родился Петцваль. Кратер Петцваль на обратной стороне Луны назван в его честь, а также улицы и памятники в современной Словакии, Австрии и Венгрии. В 1980 году планетоид (3716 Petzval, 1980 TG) был назван в честь Петцваля по инициативе астрономического института в Татранской Ломнице и чешских ученых; портретный объектив Петцваля сделал возможным открытие многих планетоидов в конце XIX века. Австрийская комиссия по образованию вручает "Медаль Петцваля" за выдающиеся достижения в области научной фотографии с 1928 года.

Этническая принадлежность и имя

В "Мадьярском научном институте" (Magyar Tudományos Akadémia Acta technica, том 25, 1959 г.) отмечается спор относительно этнической принадлежности Петцваля. Согласно Венгерской академии наук:

В той же публикации также приводится заявление Петцваля о том, что он является венгром и "верным сыном отечества". Как упоминалось ранее, в школе он испытывал трудности с венгерским языком, поскольку это не был его родной язык. Современники Петцваля в целом признавали его венгром, поскольку Петцваль всегда заявлял об этом. "Он прожил 54 года в Вене, но не стал и не мог стать венским – преданным своей родине, он остался венгром", – сказал Люгер, мэр Вены, на похоронах Петцваля.