Эрнст Аббе

АББЕ, ЭРНСТ (Abbe, Ernst) (1840–1905), немецкий физик-оптик, создатель теории формирования изображений в микроскопе и технологии важных разделов оптико-механической промышленности. Родился 23 января 1840 в Эйзенахе. Окончил классическую гимназию в и поступил в Йенский университет, учился также в Гёттингене. В числе его учителей были математик Б.Риман и физик В.Вебер. В марте 1861 Аббе защитил диссертацию в Гёттингенском университете и в течение двух лет преподавал физику в Физическом обществе Франкфурта-на-Майне, давал частные уроки. В 1863 получил должность приват-доцента, лектора по математике, физике и астрономии в Йенском университете.

В 1866 Карл Цейс предложил сотрудничество молодому физику. Цейс хотел поставить производство микроскопов и других оптических приборов на поток и считал необходимым создать научные основы приборостроения. Аббе принял приглашение. Разработанная им теория формирования изображений несамосветящихся объектов включала важнейший принцип – «условие синусов», налагающее ограничение на соотношение фокусных расстояний объектива и окуляра и длину трубки микроскопа. Аббе ввел понятие «числовой апертуры», связывающей истинную апертуру объектива с показателем преломления стекла и длиной волны излучения. Оба этих принципа оказались справедливыми и применительно к электронным микроскопам, созданным полвека спустя. Аббе сконструировал целый ряд оптических приборов: в 1867 – фокометр (прибор для измерения фокусных расстояний), в 1869 – апертометр (прибор для измерения апертуры) и рефрактометр (измеритель показателя преломления), ныне носящий его имя. Активно занимался также изготовлением оптических стекол. В 1874 создал ряд новых марок оптического стекла, в 1879 познакомился со специалистом по стеклам О.Шоттом и в 1884 совместно с Шоттом и Цейсом основал Стеклохимическую лабораторию.

Успехи Аббе в разработке теории практически пригодных оптических приборов способствовали тому, что в 1876 Цейс сделал его своим полноправным партнером. Кроме различных микроскопов, предприятие выпустило ряд других приборов: устройства для подсветки к микроскопу (в Англии такое устройство называется просто «Аббе»), рефрактометры Аббе и др. К 1886 относится триумф фирмы – создание апохроматических линз, носящих название конденсоров Аббе.

После смерти Цейса в 1888 и ухода из фирмы его сына в 1891 Аббе стал фактически хозяином предприятия. Здесь он вновь проявил свои склонности к экспериментированию, основав Товарищество «Карл Цейс». Предприятие успешно развивалось, а его устав, разработанный Аббе, впоследствии лег в основу социального законодательства Пруссии. Аббе завещал «Товариществу» свои сбережения, а часть прибыли «Товарищества» регулярно передавались университету Йены.

Аббе был удостоен множества титулов и почетных степеней. В 1873 он был избран членом Академии естествоиспытателей в Галле, в 1878 – почетным членом Королевского общества микроскопистов в Лондоне, в 1879 – почетным профессором Йенского университета, в 1882 – почетным членом Бельгийского общества микроскопистов в Брюсселе. В 1883 университет Галле – Виттенберга присвоил ему степень почетного доктора медицины, а в 1884 король Пруссии наградил орденом Белого Сокола 1-й степени. В 1896 Аббе был избран членом-корреспондентом Академии наук в Берлине по отделению физики и математики; в 1899 – членом Королевского фотографического общества Великобритании; в 1900 – иностранным членом-корреспондентом Австрийской академии наук в Вене; в 1901 – почетным членом Саксонской академии наук и почетным членом Королевского научного общества в Гёттингене; членом-корреспондентом Комитета оптических стандартов в Бирмингеме; в 1903 – почетным членом Общества природоведения в Дрездене и почетным членом Королевского ордена науки и искусства в Баварии.
Умер Аббе в Йене 14 января 1905.

Сын ткача подает большие надежды
23 января 1840 года в Германии в городе Эйзенахе родился Эрнст Аббе. Отцом будущего ученого стал Адам Аббе, ткач с фабрики Эйхеля. Мать, урожденная Бархфельд, занималась домашним хозяйством, воспитывала детей – Эрнста и его сестру. Семья жила на старой мельнице и часто нуждалась в средствах. В 1846 году шестилетний Аббе поступил в народную школу. Учителя, сразу выявившие неординарные способности Эрнста, советовали отцу определить ребенка в лучшую школу города, но денег на обучение не было.

События 1848–1849 годов не могли не оставить след в душе маленького Эрнста Аббе. Повсюду возникали подпольные революционные кружки. Отец вступил в один из них. Угроза ареста единственного кормильца держала семью в постоянном напряжении. Все это так или иначе откладывалось в памяти Эрнста и повлияло в дальнейшем на формирование жизненных принципов ученого.

В 1850 году Эрнст Аббе поступил в реальную гимназию Эйзенаха. Сын ткача получил такую возможность только благодаря своей несомненной одаренности. Фабрике требовались квалифицированные кадры – грамотные рабочие. Любимыми предметами Эрнста стали математика и физика, преуспевал мальчик и в остальных науках. На протяжении всего обучения он оставался лучшим учеником. Но по окончании гимназии перед 17-летним Эрнстом Аббе, получившим наивысшую оценку за дипломную работу по геометрической оптике, оказалась не лучшая перспектива – стать высококвалифицированным рабочим. В последующем образовании одаренного юноши дирекция фабрики не была заинтересована. Надо отдать должное отцу Эрнста, который нашел средства и сумел внести начальную плату за обучение сына в университете. Не произойди этого, мир потерял бы замечательного ученого. О дальнейшей судьбе Адама Аббе сохранилось мало сведений. Мать Эрнста умерла от чахотки, когда юноше исполнилось 18 лет. В 1857 году молодой Аббе покинул родной город, чтобы оказаться в Йене и стать студентом Йенского университета.

Два года в «Альма-Матер»
Тихий уютный городок Йена славился небольшим университетом. Здесь преподавателями Аббе стали такие известные ученые, как физик Карл Снелль, математик Герман Шейфер и др. Молодому человеку из семьи рабочего, не получавшему материальной поддержки от родителей, приходилось жить очень скромно. Юноша зарабатывал на жизнь частными уроками. Он отказывал себе в самом необходимом. Но привычная с раннего детства нужда не явилась препятствием на пути получения знаний. Эрнст Аббе и здесь был лучшим из лучших. Так, например, он победил в конкурсе, организованном философским факультетом, получил медаль и премию в 40 талеров. Еще никому не известный Аббе выступил с докладом в математическом обществе. Доклад наделал много шума и обратил внимание ученых на одаренного юношу. Вот как пишет об этих событиях В. А. Гуриков: «3 июня 1858 г. Аббе выступил с докладом “Индуктивное доказательство эквивалентности тепла и работы для перманентных газов” в Йенском математическом обществе, которым в те годы руководил Г. Шейфер. Конкурсная работа Аббе, по словам куратора Йенского университета М. Зеебека, “вызвала особое удовлетворение компетентных членов факультета, хотя Аббе учился только на третьем семестре и не имел никакой помощи со стороны. Его учителя заверяют, что он, без сомнения, является прирожденным ученым”. Зеебек далее рекомендовал Аббе влиятельным должностным лицам как человека, которому “в будущем вполне можно оказать покровительство и милость”».1

Именно в это время молодой человек впервые ознакомился с работой мастерской Карла Цейсса, в которой проходили иногда практические занятия у студентов университета. Однако, проучившись в Йене два года, 30 апреля 1859 года Эрнст Аббе переводится в Геттингенский университет. Именно там был сконцентрирован лучший в Германии преподавательский состав по интересующим его предметам. Там трудились, например, выдающийся физик и экспериментатор Вильгельм Вебер, известнейший математик и физик Берхард Риман — создатель одной из неевклидовых геометрий.

Преподаватели Геттингенского университета не могли не заметить Эрнста Аббе и не разглядеть в нем прирожденного ученого. Математика, физика и астрономия постоянно занимали его ум. Долговязый молодой человек с необычайно длинными руками и ногами выглядел нелепым, странноватым, он казался одержимым науками! Аббе страдал от редчайшего наследственного заболевания – синдрома Марфана, при котором характерны худое тело, непропорциональные длинные и тонкие конечности, легко отгибающиеся назад пальцы рук, «птичий нос», нарушения сердечно-сосудистой системы и т.д. Но главное, у больных происходит постоянный выброс в кровь катехоламинов, в том числе и адреналина. Адреналиновый допинг – мощный стимул интеллектуальной деятельности. Этим, наверное, и объяснялась необычайная работоспособность ученого на протяжении всей жизни.

Докторскую диссертацию «Эмпирическое обоснование закона эквивалентности тепла и механической работы» Эрнст Аббе защитил 16 марта 1861 года. Вильгельм Вебер дал этой диссертации высшую оценку. После защиты Аббе стал ассистентом Геттингенской астрономической обсерватории. Неплохо для сына ткача! Но он не мог удовлетвориться достигнутым. Вскоре он получил место доцента в Физическом институте во Франкфурте-на-Майне. Трудился с удвоенной энергией, не оставляя себе ни минуты отдыха. Впрочем, нет! Однажды Аббе все же отправился в родной Эйзенах на отдых. Там он «совершенно случайно» написал работу «О закономерностях в распределении ошибок при серийных наблюдениях», благодаря которой стал доцентом уже философского факультета. Это было не удивительно, поскольку молодой ученый всегда любил участвовать в спонтанных диспутах на философские темы. Диплом магистра Эрнст Аббе получил 12 августа 1863 года.

Йена и Аббе
Маленький уютный городок Йена утопает в зелени. Университетская братия – студенты, преподаватели, профессора – одна большая семья, у которой свои традиции, свой дух, своя история. Судьба Эрнста Аббе оказалась навечно переплетена с судьбой Йены и университета. Осенью 1836 года он вернулся в город, который прославится на весь мир благодаря его имени. В Йене его ждала должность приват-доцента. Сначала Эрнст Аббе читал для студентов курсы лекций по математике, физике, механике, измерительным приборам, позднее – лекции по оптике: аналитической и математической оптике и технике оптического эксперимента. Студенты вспоминали, что преподаватель редко ограничивался теорией. Он стремился ознакомить их с практической оптикой, и часто лекции заканчивались демонстрацией опытов. В Йенском университете Эрнст Аббе обрел истинных друзей и соратников: профессора физики К. Снелля, профессора философии Г.Фишера, известного физика М. Зеебека. В 1870 году Аббе становится экстраординарным, а в 1878-м – уже ординарным профессором университета.

Удивительно, что в жизни ученого, полностью погруженного в мир цифр, экспериментов и научных трудов, нашлось все же время для любви. Правда, избранницей Аббе стала девушка, которую, наверное, он видел чаще других. В 1873 году молодой профессор женился на дочери своего коллеги Карла Снелля – Эльзе. Он отказался от венчания, навлекая на себя град пересудов и неудовольствие со стороны обывателей. Но Эрнст Аббе был атеистом. В сердце ученого-скептика не было места для Бога.

Теория и практика
С 1866 года начинается сотрудничество Эрнста Аббе и Карла Цейсса. «Как доцент Аббе показал свое пристрастие к астрономии и прикладной математике, – писал А. Зонненфельд, – и это, вероятно, и было причиной, почему Карл Цейсс обратился именно к нему».2 Рудольф Иобст считал, что «успешное сочетание научной и практической деятельности на предприятии Карла Цейсса привлекло внимание профессора физики и математики Йенского университета Эрнста Аббе».3 Можно сколько угодно спорить о том, кто был главнее в этом тандеме, о том, чей вклад в развитие фирмы ценнее, но так или иначе от этого сотрудничества выиграли не только К. Цейсс и Э. Аббе, но и оптика как наука и отрасль промышленности.

Карл Цейсс выпустил свой первый микроскоп в 1847 году. К тому времени, когда Аббе пришел на предприятие, была изготовлена уже тысяча микроскопов. Но предприниматель и практик Цейсс не был удовлетворен успехами, ему не хватало знания теории для достижения цели, для производства принципиально новых микроскопов. Он всегда стремился привлекать к производству талантливых и неординарных людей. Приглашенный 26-летний приват-доцент Йенского университета оказался поистине находкой для фирмы.

До его появления изготовление микроскопов на предприятии происходило в основном эмпирическим путем. С первых дней сотрудничества Эрнст Аббе стремился поставить производство оптических приборов на научную основу. «Вскоре он понял всю ценность новой работы – бесподобная область применения для математики с перспективой на успех».4

Европейская традиция создания оптических инструментов насчитывала уже около трех веков. За это время микроскопические теории претерпевали различные изменения, что позволяло постепенно совершенствовать качество получаемого в микроскопе изображения. В период середина ХIХ — начало ХХ века произошло множество революционных открытий в различных областях естествознания. Бурное развитие науки требовало создания приборов, обеспечивающих более точное наблюдение различных объектов. Однако дальнейшее улучшение изображения было связано с устранением погрешностей оптических систем (то есть сферической и хроматической аберрации).

«При наличии сферической аберрации близкие к оси лучи, падающие на линзу, после прохождения через ее различные участки пересекают оптическую ось в разных точках, в силу чего изображение точки получается в виде диска с неоднородным распределением освещенности. Из-за хроматической аберрации луч белого света после прохождения через линзу распадается на ряд лучей различных цветов, которые пересекают оптическую ось в разных точках – за счет зависимости фокусного расстояния линзы, от длины волны падающего света, образованной дисперсией света».5 Одним словом, качество изображения оставляло желать лучшего! А ведь помимо улучшения качества изображения необходимо было обеспечить максимальное увеличение. Для достижения этих целей оптики перешли к использованию короткофокусных объективов.

Разрешающая способность микроскопа зависела от апертуры – угла между крайними лучами, идущими от объекта к краям объектива. Но в короткофокусных объективах с большой апертурой погрешности оптических систем достигали очень больших величин. Попытки повысить качество микроскопов и рассчитать их по законам геометрической оптики не давали желаемых результатов. Эрнст Аббе обращается к оптике физической. Физическая оптика и математика должны были стать во главу угла при конструировании и производстве оптических приборов.
Ученый показал, какую роль в образовании изображения играет объектив и окуляр микроскопа, дал подробную классификацию аберраций. «Но самой большой заслугой Аббе стало установление тех пределов, которые ставит перед конструкторами оптических систем волновая природа света».6 Многострадальная теория Аббе о дифракции света постоянно подвергалась беспощадной критике как до, так и после смерти ученого. Но современная квантовая оптика полностью подтвердила ее правильность.

Согласно теории «числовая апертура определяет ряд важнейших свойств микроскопа: яркость изображения, степень сходства изображения с предметом и т.п. Чем больше числовая апертура, тем более мелкие подробности объекта наблюдения можно рассмотреть в микроскоп. Из теории следует, однако, что видеть в микроскоп объекты с размерами, меньшими половины световой волны, нельзя!»7 К сожалению, даже последователи Аббе опирались в основном на геометрическую теорию оптического изображения и уделяли меньше внимания его теории дифракции.

Показав, что разрешающая способность микроскопов не беспредельна и ограничена волновой природой света, Аббе достиг блестящих успехов в деле расчета оптической системы микроскопа, свободной от аберраций (ошибок), которые такая система образовывает. Огромную роль в этом сыграл открытый им самим закон синусов. Соблюдение условия синусов при расчетах оптических систем позволяет сохранять резкость изображения. Интересно, что все существовавшие ранее микроскопы, выполненные на глазок, но имеющие по воле случая резкость и четкость изображения, соответствовали, как оказалось, этому закону синусов!

В борьбе за повышение разрешающей способности микроскопа Аббе стремился использовать все возможные средства. Так, например, в 1878 году совместно со Стефенсоном он изготовил микроскоп с применением кедрового масла, что позволило на треть увеличить разрешающую способность. В дальнейшем идея о повышении разрешающей способности за счет уменьшения длины волны света, с помощью которой образуется изображение, привела к идее о применении ультрафиолетовых лучей. Такие микроскопы впоследствии использовались, например, для изучения состава молекул ДНК и РНК.

Но Аббе быстро понял, что для достижения желаемого результата недостаточно теории и вычислений, необходимы были качественно новые стекла широкого ассортимента с заранее заданными свойствами. Нужно найти мастера, способного создать такие стекла. «Решающей заслугой Аббе было то, что ему удалось привлечь для совместной работы доктора Отто Шотта, что с 1881–1884 годов привело к необходимой для научно-технического строительства приборов реформе стекольной техники на научной основе. Без этого научного создания новых оптических стекол прогресс современной оптики и оптической промышленности во всем мире был бы невозможен».8 Небольшая лаборатория по производству стекла разрослась во многом благодаря фирме «Карл Цейсс» и стала называться «Стекольные заводы Отто Шотта». В дальнейшем завод и фирма объединились.

К 1886 году Аббе с помощью Шотта удалось наконец добиться производства качественно новых стекол. О них впоследствии русский ученый И. И. Мантерсон будет говорить в своем докладе перед коллегами как о чуде: «Введение новых сортов стекла вызвало глубокое изменение в объективах и окулярах микроскопов»9. Каталог предлагаемых стекол к тому времени насчитывал более 40 разновидностей, причем каждая разновидность имела свой состав и свои оптические свойства! Сравнивая между собой стекла, изготовленные с разницей в шесть лет, Мантерсон также отмечал, что их качество улучшалось год от года.

Проведя ряд опытов с оптическими системами, в 1886 году Эрнст Аббе подводит фирму к созданию самых совершенных в то время апохроматических объективов и компенсационных окуляров, что произвело переворот в оптике. Но Аббе не мог бы сделать этого в одиночку, без помощи сотрудников и ученых фирмы, без стекол Шотта и без кипучей деятельности самого Карла Цейсса.
Создание апохроматических объективов и компенсационных окуляров, позволяющих добиться безукоризненной по тем временам микрофотограммы, совместно с использованием осветительного прибора Аббе привело к свершению различных открытий в области биологии, медицины и других наук.

Будучи профессором университета, Аббе старался воспитывать кадры для предприятия «Карл Цейсс». Это были работники, сочетающие такие качества, как целеустремленность, пытливость ума, способность соединять научные знания с практическим опытом. Наиболее талантливыми из них оказались Пауль Рудольф и Мориц фон Рор. Так, Рудольф проявил инициативу в деле конструирования и изготовления фотографических объективов. А Мориц фон Рор в 1912 году изобрел известнейшие цейссовские пунктуальные стекла для очков, существенно отличавшиеся от производимых ранее плоских стекол. Благодаря им миллионы людей сохраняли способность видеть и неограниченно работать до глубокой старости.

Лекции Аббе по оптике и дифракции света привлекали чрезвычайно широкую аудиторию. Помимо студентов слушателями Аббе являлись выдающиеся ученые Германии: Ганс Бейгерхольд, Фридрих Мартес, Пауль Шмидт и др.
К концу ХIХ – началу ХХ века фирма «Карл Цейсс» выпускала все виды оптических приборов: фотообъективы, рефлектометры, спектрометры, фотометры, а с 1897 года начала изготавливать приборы астрономические. Не напрасно когда-то молодой Эрнст Аббе интересовался астрономией. Телескопы, рефракторы, астрографы, кометоискатели и другие инструменты, выпускаемые в более поздний период, позволили называть предприятие оптическим глазом мира.

Став полноправным компаньоном Цейсса с 1877 года, Аббе делал все возможное для облегчения труда занятых на производстве людей. Рабочий день ограничивался восьмью часами, предоставлялись оплачиваемый отпуск, пенсия, а также выплата выходного пособия в случае потери работы. На предприятии все вспоминали Аббе как человека вежливого, интеллигентного и внимательного.
Эрнст Аббе никогда не носил свои награды, например орден Белого Сокола I степени. Профессор Йенского университета, член Академии естествоиспытателей в Галле, почетный член Королевского общества микроскопистов в Лондоне, член-корреспондент Академии наук в Берлине и обладатель множества других почетных званий был чрезвычайно скромным человеком. Профессора интересовали только наука и предприятие, которому он посвятил большую часть своей жизни.

О его одержимости наукой ходили легенды. Доктор Бегехольд, знавший Аббе, рассказал такую историю. Во время одной из многочисленных прогулок с коллегами Аббе увлеченно доказывал им правильность своей теории дифракции света. В конце концов занудство профессора довело всех до предела, и доцент университета математик Томе воскликнул, обращаясь к нему: «Да скажите же вы наконец-то что-нибудь неразумное!»10. Но человек, благодаря которому мы имеем сейчас множество оптических приборов, благодаря которому фирма «Карл Цейсс» прогремела на весь мир, ученый, сделавший математику наукой, играющей важную роль во всех направлениях исследования и развития, не мог сказать что-нибудь неразумное. Вся его жизнь и деятельность были разумны и направлены на практическое применение знаний, на то, чтобы эти знания служили людям.

1. Гуриков В. А. Эрнст Аббе. М., 1985. С. 4.
2. Зоннефельд А. Взаимодействие оптики и математики // Йенское обозрение. 1962. № 5. С. 179.
3. Иобст Р. 120-летие фирмы «Карл Цейсс Йена» и 150-летие со дня рождения Карла Цейсса // Астрономический журнал. 1967. Т. 44, вып. 1. С. 227.
4. Зоннефельд А. Указ. соч. С. 178.
5. Васильев А. Эрнст Аббе и «Карл Цейсс Йена» // Квант. 2002. № 1. С. 17.
6. Васильев А. Указ. соч. С. 18.
7. Там же. С. 19.
8. 115 лет «Карл Цейсс Йена» // Йенское обозрение. 1962. № 2. С. 3.
9. Мантерсон И. Микроскопы Карла Цейсса в Йене. Обзор 300-летней истории микроскопа // Фармацевтический журнал. 1890. Б/н. С. 5.
10. Зоннефельд А. Указ. соч. С. 178.