Введение
Балтийский немецкий астроном, немецкий микробиолог Бернхард Вольдемар Шмидт (Нарген, Эстония – 1 декабря 1935, Гамбург) был эстонским оптики́ом. В 1930 году он изобрел телескоп Шмидта, который корректировал оптические погрешности сферической аберрации, комы и астигматизма, впервые сделав возможным создание очень больших широкоугольных отражающих камер с коротким временем экспозиции для астрономических исследований.
the German microbiologist
Bernhard Woldemar Schmidt (, Nargen, Estonia – 1 December 1935, Hamburg) was an Estonian optician. In 1930 he invented the Schmidt telescope, which corrected for the optical errors of spherical aberration, coma, and astigmatism, making possible for the first time the construction of very large, wide angled reflective cameras of short exposure time for astronomical research.
Детство
Шмидт был сыном Карла Константина и Мари Хелен Кристин (Розен) Шмидт. Он родился и вырос на острове Нарген (Найссаар), у побережья Ревеля (Таллинна), Эстония, который тогда входил в состав Российской империи. Жители этого острова, в основном эстонские шведы, обычно говорили на шведском или эстонском языках, но семья Шмидтов также говорила на немецком. Бернхард был старшим из шести детей: троих мальчиков (один из которых умер в младенчестве) и трёх девочек. Найссаар был небольшим сельским островом, жители которого в основном жили за счёт рыбной ловли и проводки судов в порт Ревеля. Вместе со своим младшим братом Августом Фредриком Бернхард Шмидт пережил множество детских приключений на острове. Он был чрезвычайно любознательным, изобретательным и обладал богатым воображением – как в юности, так и во взрослой жизни. Например, в молодости он сконструировал собственную камеру из купленной линзы и старых мехов от гармони, и ему удалось сфотографировать окрестности и членов семьи, а некоторые фотографии он даже продавал. Он также увлёкся ночным небом и созвездиями. Одно несчастное происшествие обернулось трагедией и оставило глубокий след в жизни Шмидта. Когда ему было 15 лет, он экспериментировал с порохом. Он зарядил железную трубу, но из-за ошибки с запалом труба взорвалась, и он потерял большой и указательный пальцы правой руки. Несмотря на попытки матери очистить и перевязать раны, хирурги в Таллинне позже ампутировали ему всю руку. Это событие, по всей видимости, усилило его замкнутость и склонность к самоанализу – качества, которые отмечали его современники в более поздние годы.
Молодежь
Несмотря на потерю, Шмидт вскоре возобновил эксперименты и изобретения. Он также стал больше фотографировать и научился качественно проявлять и печатать снимки. В 1895 году он переехал в Таллинн и некоторое время работал ретушером фотографий. Позже он устроился на работу в Volta Electrical Motor Works и освоил черчение. В 1901 году он отправился в Гетеборг, Швеция, чтобы учиться в Технологическом университете Чалмерса, но вскоре перевёлся в Университет Митвейды в Королевстве Саксония для продолжения образования.
Взрослая жизнь
В этот период его интерес к астрономии и оптике возрос. В Митвейде он надеялся учиться у доктора Карла Стреля, известного оптического теоретика. Однако Стрель недавно покинул свой пост. Постепенно Шмидт нашёл своё истинное призвание – шлифовку и полировку высокоточной оптики для астрономических целей. Он, кажется, начал шлифовать зеркала примерно в 1901 году, а затем стал продавать некоторые свои изделия астрономам-любителям. К марту 1904 года он добился таких успехов в своём новом деле, что после окончания учёбы вскоре вышел на связь с профессионалами из крупных обсерваторий Германии. Его дело быстро пошло в гору, когда такие известные астрономы, как Герман Карл Фогель и Карл Шварцшильд, оценили высокое качество зеркал Шмидта для своих исследований.
Средние годы
Между 1904 и 1914 годами бизнес Шмидта процветал, и он приобрел огромную репутацию в Германии. Он не только изготовил одни из самых сложных и точных зеркал, которые когда-либо пытались создать к тому времени, но и ему было поручено исправлять и улучшать линзы, первоначально поставляемые известными оптическими фирмами, например, 50-сантиметровый визуальный рефрактор Steinheil в Потсдамской астрофизической обсерватории. С ростом бизнеса он нанял нескольких помощников, двое из которых оставили ценные свидетельства о методах работы Шмидта. Шмидт также купил автомобиль, что было редкостью в те времена, и нанял друга в качестве шофера. Используя горизонтальное зеркало с большим фокусным расстоянием и плоский коэлостат, оба собственного изготовления, он сделал впечатляющие фотографии Солнца, Луны и крупных планет. Первая мировая война положила конец этому подъему. Шмидт был арестован как лицо враждебного происхождения, поскольку Эстония входила в состав Российской империи, и отправлен в лагерь для интернированных примерно на шесть месяцев. После освобождения он оставался под надзором полиции, и часть его астрономического оборудования, вызывавшего подозрения, была конфискована. Он попытался продолжить свой бизнес, но по мере затягивания войны и поражения Германии экономическая ситуация ухудшилась, и у ученых не было средств для астрономических исследований. Ситуация не улучшилась и после войны из-за политической нестабильности в Германии и необходимости выплачивать репарации. В 1923 году инфляция вышла из-под контроля, и многие люди потеряли все свои сбережения. К середине 1920-х годов бизнес Шмидта был разорен, и ему пришлось распродать оставшееся оборудование как металлолом.
Бергедорф
С 1916 года Шмидт поддерживал связь с профессором Ричардом Шорром, директором Гамбургской обсерватории, расположенной за пределами Гамбурга в сельской местности неподалеку от деревни Бергедорф. Шорр заинтересовался горизонтальным зеркальным телескопом и коэлостатом Шмидта и заказал его постройку для своей обсерватории. После войны, когда экономическое положение Шмидта становилось все более сложным, Шмидт начал обращаться к Шорру с просьбой о какой-либо работе в обсерватории. Шорр мог предложить немногое: Шмидт мог приехать в Бергедорф и получить бесплатное жилье; требовался ремонт горизонтального телескопа, за который ему заплатили бы небольшое вознаграждение. Это произошло в 1926 году. Шмидт некоторое время не соглашался. Он был автором нескольких патентов, один из которых касался использования винта для привода лодок. Шмидт надеялся превратить это изобретение в прибыльное дело. Он также вернулся в Эстонию, чтобы навестить семью и изучить возможности в области оптики, поскольку Эстония стала независимой республикой после Первой мировой войны. Эти попытки не увенчались успехом, и к 1927 году перспективы Шмидта были настолько плохи, что он принял предложение Шорра. Он начал обустраивать мастерскую в подвале главного служебного корпуса обсерватории и приступать к ремонту горизонтального телескопа. В 1927 и 1929 годах Шмидт участвовал в двух экспедициях Гамбургской обсерватории для наблюдения солнечных затмений, первая – в северную Швецию, вторая – на Филиппины. Во время этой второй поездки Шмидт сообщил своему спутнику, астроному Вальтеру Бааде, о самом важном изобретении в жизни Шмидта, об изобретении, которое произвело революцию в астрономии и оптическом дизайне во второй половине 20-го века, а именно о его широкоугольной зеркальной камере.
Камера Шмидта
Астрономы давно мечтали о способе быстро фотографировать большие участки неба для обзора видимого содержимого Вселенной и наблюдения крупномасштабных структур. Обычные телескопы до времени Шмидта показывали узкие поля зрения, обычно измеряемые в 1 или 2 градуса. Обзор всего неба с помощью таких телескопов требовал огромных затрат времени и ресурсов на протяжении многих лет и (из-за узкого поля зрения) часто приводил к пропуску крупных структур. Большие участки неба можно было видеть с помощью небольших объективов камер, но тогда слабые (и, следовательно, далекие) объекты оставались невидимыми. Требовались камеры с большой апертурой, обладающие широким полем зрения с хорошими характеристиками изображения ("резкостью") и быстрыми фокусными отношениями для уменьшения времени экспозиции. К сожалению, единственными широкоугольными телескопами с большой апертурой до Шмидта были обычные рефлекторы с коротким фокусным отношением (около f/3), которые давали изображения, четкие в центре поля зрения, но быстро теряющие резкость по направлению к краям. Изображения звезд становились размытыми и напоминали кометы, с "головой" кометы, направленной к середине фотографического поля. Это размытие в основном вызвано оптическими аберрациями (т.е. ошибками), называемыми "комой" и "астигматизмом". До Шмидта было невозможно построить большой, быстрый рефлекторный телескоп, не страдающий от этих ошибок. Шмидт хорошо знал об этом и размышлял о возможных решениях в конце 1920-х годов. По словам Бааде, он уже отказался как минимум от одного решения, когда, наконец, пришел к своему окончательному проекту, который представлял собой новый, действительно смелый отход от традиционных оптических схем. Шмидт понял, что, используя большое сферическое зеркало (вместо обычного параболического зеркала рефлекторного телескопа) и диафрагму меньшего диаметра, расположенную в центре кривизны зеркала, он сможет одним махом устранить кому и астигматизм. Однако он столкнулся бы со сферической аберрацией, которая также вредит резкости изображения. Шмидт понял, что может устранить сферическую аберрацию, поместив тонкую, очень слабо изогнутую асферическую линзу (теперь называемую "корректирующей пластиной Шмидта") в тот же центр кривизны, что и диафрагма. Эта асферическая линза имеет сложную форму, выпуклую вблизи центра и вогнутую по краям, которая создает сферическую аберрацию, противоположную сферическому зеркалу, с которым она работает, нейтрализуя сферическую аберрацию зеркала. Таким образом, очень аккуратно и просто он мог построить большую камеру с f/1.75 или даже быстрее, которая давала бы четкие изображения на поле зрения более 15 градусов в диаметре, что позволяло бы получать изображения больших участков неба за короткое время экспозиции (порядка нескольких минут против часа или более с обычным рефлектором). Его первая камера имела апертуру около 360 мм или 14,5 дюймов в диаметре и фокусное отношение f/1.75. Сейчас она находится в музее Гамбургской обсерватории. Объединение Шмидтом различных оптических элементов (специальное зеркало, диафрагма в определенном месте и "корректирующая пластина") в простую катадиоптрическую систему, основанную на рассуждениях из первых принципов, было эпохальным. В частности, "корректирующая пластина" не имела аналогов в конструкции телескопов. После Шмидта в последующие десятилетия появило множество новых катадиоптрических конструкций.
Последние годы
Шмидт построил свой первый "Schmidtspiegel" (который стал известен как камера Шмидта) в 1930 году – прорыв, вызвавший сенсацию во всем мире. Он использовал очень изобретательный метод (так называемый "метод вакуумной ванны") для изготовления сложной "корректирующей пластины", благодаря чему система давала великолепные изображения. Вакуумная ванна заключалась в аккуратном деформировании параллельной стеклянной пластины под частичным вакуумом, придавая ей небольшую прогибающуюся кривизну, а затем полировании верхней поверхности до плоскости. После снятия вакуума линза возвращалась к "шмидтовской форме", необходимой для камеры. Ранее никто не изготавливал линзы подобным образом. Шмидт опубликовал краткое описание (на немецком языке) своего изобретения в специализированных изданиях и предложил строить свои камеры для профессиональных обсерваторий. К сожалению, его реклама была недостаточной, а конструкция – слишком новаторской. К тому же, изобретение совпало с началом Великой депрессии. Заказов не поступало, и он до конца жизни оставался зависимым от Шорра и Бергедорфа, получая скромный доход от случайных работ. В 1934 году он построил камеру большего размера и перешлифовал 60-сантиметровый фотографический рефрактор Bergedorf Steinheil. В конце ноября 1935 года Шмидт заболел после деловой поездки в Лейден (Нидерланды). Несмотря на предпринятые попытки лечения, он скончался 1 декабря 1935 года в Гамбурге в возрасте 56 лет. Вскрытие показало, что причиной смерти была инфекция легких. В книге 2 "Я хотел бы там быть. Европейская история ок. 2008 г." (American Historical Publications), Фримен Дайсон написал: "Он (Шмидт) купил достаточно коньяка и тихо выпил себя до смерти".
Личная жизнь и наследие
Шмидт не женился и не имел детей. Вскоре после его смерти, благодаря усилиям Уолтера Бааде, прибывшего в обсерваторию Маунт-Уилсон в Соединенных Штатах, идея телескопа Шмидта получила развитие. В 1936 году был создан 18-дюймовый телескоп Шмидта, а спустя двенадцать лет, в обсерватории Маунт-Паломар был построен знаменитый 48-дюймовый (122 см) телескоп Шмидта имени Сэмюэля Очина. Этот последний телескоп предоставил огромное количество новых наблюдений и информации. Впоследствии, в 1955 году в Бергедорфе был торжественно открыт большой и качественно построенный телескоп Шмидта. 2-метровый телескоп Шмидта обсерватории Карла Шварцшильда был построен позднее и остаётся крупнейшей камерой Шмидта в мире, хотя более технологически совершенные модели были созданы впоследствии. Бергедорфский телескоп Шмидта был перенесён в обсерваторию Калар-Альто в 1976 году. Шмидт также является главным героем биографического романа эстонского писателя Яана Кросса Vastutuulelaev: Bernhard Schmidti romaan (Парус против ветра: роман о Бернарде Шмидте). Шмидт – главный герой оперы Домини Клементса «Просвещённый ученик тьмы», повествующей о его воспитании, жизненном пути и наследии.