Сформулирую правильный ответ пока только на четвертый вопрос, про телескопы. Почему пока только на этот вопрос? Потому что ответ тут получится, как ни странно, самый длинный и с забавными прибамбасами, а я эти прибамбасы в физике (а также и в биофизике, и в физиологии человека) очень люблю.
Вот, в итоге написал для любознательных аж целую маленькую статейку о дисперсии света и хроматической аберрации в линзах:
=======================
Телескопы на сферических или параболических вогнутых зеркалахВогнутые зеркала дают изображения предметов - тоже собирая от них лучи, как и линзы. Но в этом случае никакого преломления лучей в стекле не происходит ни на одном из этапов, всё построено на простых законах отражения света от вогнутой поверхности.
В зеркале угол падения всегда равен углу отражения - независимо от длины падающей световой волны. Поэтому изображения, формируемые сферическими или параболическими зеркалами, получаются для всех длин световых волн (а также и не световых - то есть коротких рентгеновских и длинных инфракрасных) в точности всегда в одном и том же месте и совершенно одинакового размера. Потому изображения, даваемые зеркальными телескопами (а также и безлинзовыми фотообъективами с параболическими зеркалами) в принципе лишены такого сильно загрязняющего любые изображения явления, как ХРОМАТИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ, то есть зависимости размера изображения и положения его на фотопластинке от длины волны исходящего от звезды светового луча.
Телескопы на линзахОднако в стекле лучи света преломляются по-разному, с разным коэффициентом преломления, в зависимости от длины световой волны. Для коротковолновых сине-фиолетовых лучей (и особенно - ультрафиолетовых) он больше, а для красных (и особенно инфракрасных) - заметно меньше.
Явление зависимости показателя преломления в любой материальной прозрачной среде от длины волны проходящих через нее электромагнитных световых волн называется дисперсией света. Это явление закономерно и совершенно неизбежно, оно вызвано тем, что сам по себе показатель преломления (то есть коэффициент уменьшения фазовой скорости света в данной среде) зависит от частоты колебаний электромагнтиной волны, которая взаимодействует при своем прохождении через среду с электрическими диполями ее атомов и молекул.
Более высокочастотное электромагнитное поле (синие лучи) оказывает более сильное индуцирующее влияние на так называемые виртуальные диполи молекул, постоянно рождающиеся и гаснующие вследствие тепловых соударений атомов или молекул (в итоге тепловых соударений молекул происходит временное инерционное смещение их электронных облаков, что и порождает на малые доли секунды их виртуальные электрические диполи). Когда внешняя электромагнитная волна действует на эти виртуальные электрические диполи внутри среды, она заставляет их осциллировать, что порождает с их стороны встречную электромагнитную волну. Как показывает классическая электродинамика, в результате интерференции двух волн - внешней и наведенной диполями среды - в среде рождается результирующая волна, имеющая уже меньшую фазовую скорость, чем первоначальная, внешняя волна. И для высокочастотных синих лучей этот эффект снижения результирующей скорости оказывается сильнее выраженным, чем для низкочастотных красных.
А потому скорость синих лучей (в стекле или любой другой среде, где есть виртуальные электрические диполи, а они есть в любой состоящей из атомов и молекул среде, в том числе и в газах) снижается сильнее, чем для красных лучей. Соответственно, и показатели преломления для них получаются обязательно разными. Для синих лучей он больше, чем для красных.
Оттого изображение, даваемое любой линзой, получается всегда меньше преломленным для красных лучей, чем для синих. В итоге красное изображение на фотопластинке будет крупнее, а синее - всегда меньше по размеру.
На практике это приводит к появлению очень сильно мешающих радужных ободков вокруг изображений любых предметов, даваемых линзами. Это и называется хроматической аберрацией. На черно-белой фотопластинке такое изображение после проявления получится с очень сниженной разрешающей способностью, оно будет будто рассплывчатым по всем контурам. А на цветной пленке - получится цветной радужный ободок вокруг всех предметов на изображении.
В биноклях и подзорных трубах (и телескопах) с этим явлением ВООБЩЕ НЕ БОРЮТСЯ. Его просто устраняют, как класс, с помощью узкопропускающего желтого светофильтра. Свет, попадающий в глаз (или на фотопластинку) после светофильтра делается практически монохроматическим, то есть одной длины волны, и эффект хроматической аберрации перестает мешать. Но при этом изображение полностью теряет и свою цветовую окраску в разных своих участках, что и понятно.
Но что годится для подзорных труб и телескопов, где цветность изображения не важна, то уже никак не подходит для фотоаппаратов с цветной пленкой или с цветной светочувствительной матрицей. И тут хроматическую аберрацию линзового фотообъектива приходится как-то компенсировать. И делается это всегда одним и тем же незатейливым, но при том довольно эффективным (хотя и не стопроцентно эффективным) аналоговым методом. Вслед за собирающей лучи выпуклой линзой с умеренной хроматической дисперсией (что зависит от сорта стекла) ставят вогнутую рассеивающую линзу с меньшей оптической силой (потому суммарная оптическая сила объектива остается положительной, и его фокусное расстояние не слишком страдает). Но зато у этой рассеивающей линзы хроматическая дисперсия намного выше, чем у первой собирающей линзы (такой сорт ее стекла подбирается). В итоге первая собирающая линза увеличивает красное изображение по сравнению с синим, а вторая, рассеивающая, его наоборот уменьшает. И, в идеале - ровно во столько же раз. На выходе получается изображение уже почти без хроматической аберрации.
Но полное устранение хроматической аберрации таким способом все равно не возможно (так как ни для каких стекол нет чисто линейных дисперсионных зависимостей их показателя преломления от длины световой волны).
Оттого подобную коррекцию хроматической аберрации с помощью сложения двух линз (заведомо приблизительную) и применяют только в фотоаппаратах, предназначенных для одномоментной цветной съемки, а вот во всех случаях, где цветная съемка не важна и не нужна, и вместо этого можно ограничиться просто рассмотрением всего лишь одной конкретной длины световой волны (например, с помощью узко пропускающих светофильтров), - именно это и делают, то есть ограничиваются с помощью светофильтров лишь одной длиной волны. В том числе, так поступают в подзорных трубах и линзовых телескопах. Чтобы устранить хроматическую аберрацию, в подзорных трубах всегда ставят узко пропускающий желтый светофильтр. В прежние времена, когда фотография была черно-белой, это делали и в фотоаппаратах - надевали на объектив желтый светофильтр, за счет этого устранялась также и остаточная хроматическая аберрация объектива, и изображение на пленке получалось с намного более четкими контурами (то есть с большей разрешающей способностью).
ХРОМАТИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ И ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЛАЗХрусталик глаза - это ведь тоже линза. Если материал любой линзы непременно создает хроматическую аберрацию, то тогда ведь и вокруг изображения на сетчатке глаза, даваемого хрусталиком, тоже непременно должен наблюдаться цветной радужный ободок вокруг изображения каждого предмета? А он и есть, этот радужный ободок, вокруг каждого изображения, создаваемого глазом на своей сетчатке. (Почему мы его не видим, это другой вопрос, и об этом чуть потом)
В том, что и человеческий глаз дает изображение с грубой хроматической аберрацией, нетрудно убедиться, если вытащить у человека живой глаз и посмотреть, что же там за изображение на сетчатке у него получается (ох, любил, любил заниматься вытаскиванием глаз у своих подданных православно-христианнейший византийский базилевс Василий).
Но можно убедиться в наличии цветовой дисперсии в глазу человека, то есть разного показателя преломления для красных и синих лучей, и без вытаскивания одного своего (или чужого) глаза. Напротив, чтобы в этом убедиться в прямом опыте, вам сейчас потребуются на своих местах обязательно сразу оба глаза. Вот, посмотрите на картинки, которые я для вас нарисовал:
- колбочки-1.jpg (67.09 КБ) Просмотров: 1158
- колбочки-2.jpg (25.54 КБ) Просмотров: 1158
Синие буквы на красном фоне кажутся вдавленными в фон, будто прорезанными в нем. Напротив, красные буквы на синем фоне кажутся выступающими из фона, как будто они ближе к наблюдателю, чем сам фон. Аналогично, и синие квадратики на шахматной доске кажутся расположенными чуть дальше от глаз, чем красные. Этот эффект при разглядывании картинок не то чтобы очень силен, но многие люди его замечают.
Это - прямое следствие того, что красные лучи слабее преломляются в глазу, нежели синие (а значит, и в глазу есть хроматическая аберрация, типичная для любых линз).
В данном случае суть эффекта состоит в разном стереоскопическом параллаксе в зависимости от цвета лучей - предметы, лучи от которых по причине их цвета сильнее преломляются в глазу (синие), получаются на сетчатке каждого глаза ближе к центру изображения, а потому и кажутся дальше расположенными от нас. Если закрыть один глаз, то эффект разной удаленности красного и синего пропадает. Почему же тогда, если и в глазу есть хроматическая аберрация, мы ее пусть и слабенько, но замечаем в виде разного стереоскопического параллакса красных и синих лучей, как на вышеприведенных картинках, но зато совсем не замечаем её в виде наиболее типичных для неё радужных контуров вокруг предметов?
Потому что зрение - это далеко не только глаз и даваемое им первичное изображение, но также, далее, еще и обрабатывающая информацию от глаза центральная нервная система, которая далее устраняет большинство всех мешающих несовершенств первичного изображения на сетчатке - но уже своими чисто программными методами.
В том числе, ЦНС чисто программными методами ПОЛНОСТЬЮ устраняет радужный ободок вокруг предметов, который реально присутствует на сетчатке глаза. Он есть, но мы его не видим! А вот в стереоскопическом зрении эффект разного преломления синих и красных лучей в ЦНС полностью не компенсируется - просто, он никогда и никому из наших предков не мешал, потому и ныне остается до конца не устраненным даже после всей программной обработки в ЦНС изображений, даваемых глазами.
А как ЦНС устраняет эффект разного размера красного и синего изображений на сетчатке глаза, а в итоге, и эффект радужного ободка?
Как это происходит в деталях, физиологам по сей день не известно, но вот зато понять, как это МОЖЕТ ПРОИСХОДИТЬ В ПРИНЦИПЕ - очень просто. Три сорта цветочувствительных эдементов сетчатки (так называенмые красно-, зелено- и синечувствительные клетки-колбочки) получают, каждый сорт этих колбочек, свою независимую информацию об изображении своего цвета. Потом, уже в мозгу, в вышележащих отделах зрительного анализатора, эти изображения совмещаются, как бы накладываются друг на друга. Чтобы избежать хроматической аберрации (а она возникает по причине разного размера изображений - красное всегда чуть больше и шире, чем синее), вполне достаточно накладывать друг на друга три цветных изображения, используя разный коэффициент преобразования их линейных размеров. Что, очевидно, центральная нервная система и выполняет. И после этого вы уже фиг заметите какой-либо цветной радужный ободок вокруг рассматриваемых предметов. Хотя в натуре, в первичном изображении от хрусталика на сетчатке глаза, он есть. Да еще какой. Не сомневайтесь!
Было бы забавно уметь на сознательном уровне регулировать коэффициент масштабных преобразований при сопосталвении и сложении в ЦНС трех цветоделенных изображений. Тогда, по собственной воле, нам бы удавалось на время так сосредоточиться, чтобы увидеть весь мир вокруг себя пусть и не слишком четким, но зато с радужными ореолами вокруг всех предметов. Но природа, экономя расходы, такой сознательной регулировкой для нас не озаботилась. Создавая нашу зрительную систему, она подарила нам не умный аппарат с произвольно регулируемыми сознанием всеми его регулировками, а дешевую, но весьма качественно работающую "мыльницу".
Однако, говорят, что под действием некоторых химических препаратов, которые блокируют в мозгу эту пресловутую корректировку масштабирования изображений в ЦНС при их сложении от трех разных типов колбочек, все-таки можно увидеть иногда окружающий мир в его первозданном "сетчаточном" виде, то есть - весь в радужных ореолах. То есть каким он и получается на сетчатке глаза. Не знаю, лично я не проверял. Но говорят.