De uitvinding van de telescoop in 1608: gewoon twee lenzen. Op 25 september 1608, nu 400 jaar geleden meldt de Gecommitteerde Raad van de provincie Zeeland dat iemand een instrument heeft uitgevonden om ver weg gelegen voorwerpen te zien alsof ze dichtbij zijn. Op 2 oktober van datzelfde jaar dient brillenmaker Hans Lipperhey uit Middelburg een patent in voor een binoculaire telescoop. 356 N og geen twee weken daarna onderhandelt diezelfde Raad van Zeeland met een andere persoon, die niet beweert de telescoop te hebben uitgevonden maar wel het geheim van de fabricage ervan zegt Eric Kirchner te kennen. Deze tweede persoon was waarschijnlijk Sacharias Janssen, net als Lipperhey brillenmaker te Middelburg. En op 15 oktober vraagt een derde mededinger, Jacob Adriaenszoon (Metius) uit Alkmaar eveneens een patent aan voor een telescoop. Hij erkent weliswaar het werk van de brillenmaker uit Middelburg, maar zegt de telescoop zelf eveneens te hebben uitgevonden gedurende een jarenlang onderzoek naar de geheime kennis van de antieken. Behalve de drie genoemde personen was er mogelijk nog een vierde ontdekker van de telescoop, want op de Frankfurter Messe in diezelffiguur 1 Gravure van Hans Lipperhey, uitvinder van de telescoop. de september Museum Boerhaave. maand in 1608 probeert een nog onbekende persoon een telescoop te verkopen. Een geïnteresseerde bezoeker uit Beieren schrikt van de prijs en haakt af. Hans Lipperhey is waarschijnlijk de eerste uitvinder van de telescoop geweest, maar helemaal zeker is dat niet. Veel van de relevante documenten werden vernietigd tijdens een luchtbombardement van de Luftwaffe op Middelburg, in 1940. De uitvinding wordt ook in onder andere Engeland en Italië geclaimd. Wèl duidelijk is wat aanvankelijk de belangrijkste mogelijke toepassing van deze nieuwe uitvinding moest worden. Een instrument om bijvoorbeeld ver weg gelegen schepen op zee te ontdekken moest militaire toepassingen hebben. Nog geen maand nadat Lipperhey zijn telescoop had gedemonstreerd aan de Staten-Generaal in Den Haag werd het instrument beschikbaar gesteld aan de bevelhebber van de Nederlandse strijdkrachten, prins Maurits van Nassau. Het apparaat werd toen echter geen succes in legerkringen. Maar in de handen van geleerden zoals Galileo Galilei zou de invloed ervan voor de wetenschap enorm zijn. De telescoop geldt wel als het icoon van de Wetenschappelijke Revolutie.
Nu, vierhonderd jaar na de ontdekking, dringen zich nog wel een aantal vragen op over de telescoop. Waarom moest het tot 1608 duren voordat de telescoop werd ontdekt? En waarom zou het na de uitvinding nog bijna anderhalf jaar duren voordat Galilei het gebruikte voor zijn beroemde observaties van de maan en planeten? Waarom pas in 1608? Vier eeuwen na de ontdekking oogt de optische werking van een telescoop bijzonder eenvoudig [1]. Figuur 2 laat de bouw zien bestaande uit twee bolle lenzen of een holle en een bolle lens. Het mag dan ook geen wonder heten dat dit instrument anno 2008 voor twee tientjes in de speelgoedwinkel ligt: met een vergrotingsfactor van 25x. Toch kan men zich afvragen waarom de ontdekking van de telescoop niet veel eerder in de geschiedenis heeft plaatsgevonden. De wetenschapshistoricus Albert van Helden gaf hiervoor wat achtergronden in een helder exposé uit 1977 [2]. We zullen dat hier met wat recenter materiaal aanvullen. Lenzen Kristallen en edelstenen werden waarschijnlijk al in de oudheid geslepen tot een vorm die enigszins op een lens lijkt, om bijvoorbeeld als vergrootglas te dienen. In de Griekse en Romeinse oudheid waren alleen brandglazen in de vorm van holle spiegels bekend: Archimedes zou er zelfs de Romeinse vloot mee in brand hebben gestoken. De eerste studies naar echte lenzen vinden we bij islamitische geleerden. Aan het hof van Bagdad schrijft rond 984 de wiskundige Ibn Sahl een verhandeling, Over ontbrandende instrumenten, waarin hij als eerste in de geschiedenis niet alleen de brekingswet van Snellius opschrijft, maar daarmee ook de ideale vorm van een lens berekent [3]. Een halve eeuw later schrijft Ibn alhaytham zijn baanbrekende Boek der Optica, waarin hij de grondslagen van de optica afleidt die minstens zes eeuwen lang in Oost en West ongeëvenaard blijven. Ook Ibn al-haytham beschrijft in zijn werk lenzen, maar dit gedeelte blijft net als Ibn Sahl s verhandeling vrijwel onopgemerkt door alle opvolgers. Veel meer invloed kreeg Ibn al-haytham s beschrijving van de stralengang van licht door een glazen Figuur 2 Stralengang door (a) astronomische telescoop van Kepler, (b) Hollandse telescoop van Lipperhey. bol, of door een bolvormig glas dat met water is gevuld. In de eerste eeuw had Seneca al geschreven dat met een dergelijk glas letters op een wonderlijke manier uitvergroot worden (zie figuur 3). Gebaseerd op de theoretische analyse die Ibn al-haytham daar als eerste voor gaf, zouden tegelijkertijd, maar onafhankelijk van elkaar, Theodore van Freiburg (in Duitsland) en Kamal al-din al-farisi (in Perzië) het raadsel van de regenboog ontrafelen. Pas vanaf de dertiende eeuw werden in Europa glazen schijven tot convexe (bolle) lenzen geslepen, om te dienen als leesbril of bril tegen verziendheid. Concave lenzen, tegen bijziendheid, zouden pas van het midden van de vijftiende eeuw opduiken; die lensvorm lag blijkbaar veel minder voor de hand. Het zou nog weer 100 jaar duren voordat in een groot deel van Europa zowel concave als convexe lenzen verkrijgbaar waren. Dat is dan ook de tijd wanneer in Europa optici in vooral Engeland en Italië zich werpen op de bestudering van lenzen. Glaskwaliteit De slechte kwaliteit van glas was een ander obstakel voor de ontdekking van de telescoop. Zelfs rond 1600 was het allerbeste Venetiaanse glas nog zo slecht van kwaliteit dat ze door gasbelletjes ondoorzichtig werden bij een dikte van meer dan een halve centimeter. De kwaliteit van het glas werd in de zestiende eeuw steeds verder verbeterd, alsook de techniek van het slijpen van lenzen hetgeen voor een telescoop belangrijk was omdat het lensprofiel veel minder mag afwijken van de ideale bolvorm dan voor brillenglazen. De kwaliteit van het glas in die allereerste telescoop van Hans Lipperhey was echter nog bedenkelijk, want de Staten-Generaal aan wie hij zijn vinding demonstreerde vroegen hem om in zijn volgende exemplaar lenzen van kristal te gebruiken. Figuur 3 Optische effecten door verschillende typen lenzen. Linksboven: holle lens. Rechtsboven: glazen bol. Onderste rij: vergrootglazen met afnemende vergrotingsfactor. 357
358 Onwaarschijnlijke combinaties Voor de zogenaamde Hollandse verrekijker van Hans Lipperhey is volgens figuur 2b een combinatie nodig van een bolle lens met lange brandpuntsafstand en een holle lens met korte brandpuntsafstand. De stralengang van figuur 2 die de telescoopwerking verklaart kon echter niet getekend worden door de Engelse en Italiaanse optici in de zestiende eeuw omdat het begrip brandpuntsafstand nog niet werd gebruikt voor de analyse van lenzen (zie bijvoorbeeld blz. 57 in [4]). De theoretische analyse van de telescoop is van Kepler en dateert pas van na de ontdekking van de verrekijker. Omdat er door de optici van die tijd onbewust van uit werd gegaan dat de vergrotende effecten van verschillende optische elementen elkaar wel zouden versterken, lag het voor de hand dat de zoektocht naar de telescoop zich richtte op de combinatie van een holle spiegel en een sterke bolle lens. Het was voor die tijd dan ook een vreemde speling van de natuur dat Lipperhey s telescoop bleek te bestaan uit de combinatie van een zwakke bolle lens (met klein vergrotend effect) en een sterke Figuur 4 Beeld van ver weg gelegen kerktoren, zoals zichtbaar met het blote oog. holle lens (met aanzienlijk verkleinend effect)! Deze onwaarschijnlijke combinatie van lenzen werd dan ook niet door een opticus, maar door een brillenmaker gevonden, die waarschijnlijk beschikte over een ruime sortering aan lenzen en die een meer verfijnde slijptechniek beheerste. Bovendien waren zwakke bolle lenzen, dus met een grote kromtestraal, moeilijker te slijpen dan sterke bolle lenzen. Om verziendheid te verhelpen was er ook minder vraag naar zwakke bolle lenzen. Holle lenzen waren nog weer moeilijker te slijpen dan bolle lenzen. Rond 1600 konden er geen zwakke bolle lenzen geslepen worden met een brandpuntsafstand van meer dan een halve meter en geen sterke holle lenzen met een brandpuntsafstand kleiner dan 20 cm. Volgens de telescoopformule is de vergrotingsfactor de verhouding tussen de brandpuntsafstanden. Tot 1600 kon daarom door twee lenzen te combineren maximaal een vergrotingsfactor van 2,5 behaald worden. Dat was veel minder spectaculair dan het legendarische telescopische instrument waar de optici naar zochten (zie hieronder). Als de optici vóór 1608 al de juiste lenzencombinatie in de correcte volgorde en met de optimale onderlinge afstanden uit hebben geprobeerd, dan vonden ze het telescopische effect daarvan waarschijnlijk niet de moeite van verdere bestudering waard. Lenzencombinaties en onderlinge afstanden Het is lastig om door middel van experimenteren, maar zonder het concept van brandpuntsafstand f, op de juiste lenzencombinatie te komen van de telescoop. In figuur 4 zien we een ver weg gelegen kerktoren, zoals waargenomen met het blote oog. Bekijken we diezelfde kerktoren via een vergrootglas vlak bij het oog (figuur 5a), dan kunnen we nog steeds de kerktoren herkennen. Helaas is het beeld wat onscherp, en bovendien is het helemaal niet vergroot zoals we hadden gehoopt. Laten we vervolgens de afstand d tussen het oog en de bolle lens toenemen, dan zien we aan de bovenste rij foto s in figuur 5a dat het beeld eerst verdwijnt (dit gebeurt als d=f), en pas bij grote waarden van d weer terugkomt. Wanneer we eindelijk weer een scherp beeld hebben, dan is dit niet alleen ondersteboven maar ook onvergroot. Dit experiment levert dus nergens een vergroot en duidelijk beeld op. Bij twee sterkere bolle lenzen (elk met brandpuntsafstand f), waarvan er één tegen het oog wordt gehouden en de ander op een afstand d (figuur 5b) ontstaat bij kleine waarden van d een rechtopstaand maar onscherp beeld. Bij toenemende waarde van d passeren we weer een punt waarbij het beeld verdwijnt omdat de lenzencombinatie ondoorzichtig is geworden. Figuur 5 Beeld van dezelfde kerktoren als in figuur 4, geobserveerd met diverse combinaties van lenzen. De afstand d geeft steeds de afstand aan tot de verre lens.
Bij verdere stijging van d is het beeld ondersteboven, en vergrotend maar onduidelijk. Als d=2f dan is het beeld inmiddels scherp maar onvergroot. Voor nog grotere waarden van d is het beeld juist verkleind. Bovenstaande voor de hand liggende combinaties van lenzen leveren dus geen telescopisch effect op. In figuur 5c testen we een lenzencombinatie die door Kepler werd ontwikkeld ná Lipperhey s uitvinding, en die de astronomische telescoop zou gaan heten. We houden een sterke bolle lens tegen het oog en een zwakke bolle lens op een afstand d. Voor kleine waarden van d is het beeld rechtopstaand maar onvergroot. Naarmate d toeneemt wordt het beeld groter maar ook steeds onscherper, totdat het instrument ondoorzichtig wordt bij d=fzwak. Bij een verdere toename van de afstand d blijft het beeld vergroot maar ook vervormd, totdat opeens bij d=fzwak.+ fsterk. het beeld scherp is en vergroot. Dit is het telescopische effect dat we zochten. Bij een verdere vergroting van de afstand d is het effect vrij snel weer verdwenen. Ook het niet evenwijdig houden van de lenzen laat het telescopisch effect verdwijnen en maakt het moeilijker op te sporen. Tenslotte kijken we in figuur 5d naar de lenzencombinatie die Lipperhey in 1608 vond. Een sterke holle lens wordt tegen het oog gehouden en een zwakke bolle lens op een afstand d. Bij kleine waarden van d is het beeld licht verkleind maar redelijk scherp en rechtopstaand. Naarmate d toeneemt blijft het beeld vrij scherp en rechtopstaand, maar belangrijker nog is dat het beeld steeds verder vergoot totdat het bij d=fhol.- fbol. de maximale vergrotingsfactor bereikt. Bij nog verdere vergroting van d wordt het instrument ondoorzichtig, om daarna een omgekeerd en onvergroot beeld op te leveren. Bij deze onwaarschijnlijke lenzencombinatie, met de sterke verkleinende lens bij het oog, is het telescopisch effect experimenteel eenvoudiger te vinden dan in de vorige combinatie. Waarschijnlijk verklaart dit waarom Lipperhey inderdaad juist deze combinatie van lenzen vond. Niets nieuws In Maart 1610 brengt Galileo Galilei de Sterrenbode uit. Daarin vertelt hij wat hij allemaal gezien heeft met de pas ontdekte telescoop. Het maanoppervlak kent bergen, dalen en uitgestrekte vlaktes, Venus heeft net zulke schijngestalten als de maan, en rond Jupiter cirkelen vier maantjes. Deze ontdekkingen slaan in als een bom, en leveren het definitieve bewijs voor het heliocentrische stelsel van Copernicus. Het is een hoogtepunt in de Wetenschappelijke Revolutie. Maar het is merkwaardig dat de telescoop al 18 maanden daarvoor was uitgevonden. De patentaanvraag van Lipperhey dateert zoals we hierboven al zagen van 2 oktober 1608, en nauwelijks een maand later verneemt Galileo s vriend Fra Paolo Sarpi het nieuws uit een krant. Sarpi neemt het nieuws echter niet serieus en ziet er niets nieuws in. Tentoonstelling De Telescoop Ter ere van het 400-jarig bestaan wijdt Museum Boerhaave in Leiden een kleine tentoonstelling aan de telescoop. De tentoonstelling laat de geschiedenis van de telescoop zien. Zo vind je er de aanbevelingsbrief van de heren van Zeeland voor Hans Lipperhey en de notulen van de vergadering van de Staten Generaal waarin het patent werd aangevraagd. Ook de enige nog complete telescoop van Christiaan Huygens en de grootste door hem vervaardigde collectie lenzen is te zien. Verder toont de tentoonstelling de verschillende stadia in de ontwikkeling van telescoop: de eerste Hollandse kijker, de spiegeltelescoop en de achromatische telescoop, tot aan (modellen van) ruimtetelescopen. Ook is een groot aantal stukken uit de verzameling van Peter Louwman te zien, hij bezit de grootste privé collectie antieke telescopen. De tentoonstelling is nog te zien tot en met 19 april 2009. 359
360 In een recente publicatie reconstrueert de historicus Eileen Reeves de maanden tussen de ontdekking van de telescoop, en Galilei s publicaties over zijn waarnemingen daarmee [4]. Hieruit wordt duidelijk waarom het Galilei zo veel tijd kostte voor hij met het nieuwe instrument aan de slag ging. Hiervoor waren een aantal misvattingen verantwoordelijk. Eric Kirchner (1966) studeerde af in de theoretische natuurkunde (Universiteit Utrecht). Zijn promotieonderzoek betrof quantumchemische studies van fysisch-chemische processen aan kristaloppervlakken (Vrije Universiteit Amsterdam, en FOM-instituut Amolf). Na een tijdelijkeaanstelling aan het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu werkt hij sinds 1996 voor AkzoNobel, en onderzoekt daar de optica van autolakken. Eric.Kirchner@sas.akzonobel.com Figuur 6 Combinaties van lenzen en spiegels waarvan ooit werd geclaimd dat ze tot een telescopisch effect leiden. (a) Bourne in 1578, (b) della Porta in 1589, (c) Lipperhey in 1608. Figuur gebaseerd op bladzijde 12 in [4]. Telescopen in de oudheid? Zo werd tot aan de zeventiende eeuw algemeen aangenomen dat een telescopisch instrument al lang bestond. Talloze verhalen deden de ronde over een steenrijke Christelijke heerser in Centraal-Azië, die via een vergrotende spiegel bovenop het paleis zijn hele rijk observeerde en bewaakte. Andere legenden vertellen over de dichter/ magiër Vergilius, die in de Oudheid bovenop een hoge toren in Rome een spiegel had geplaatst waarmee hij alle vijanden die Rome naderden van verre zag aankomen. Deze verhalen lijken allemaal dezelfde bron te hebben, namelijk de legendarische vuurtoren (Pharos) van Alexandrië. Van daaruit zouden met een spiegel niet alleen alle langsvarende schepen zijn geïnspecteerd, maar bij twijfel zou het brandpunt van diezelfde spiegel zijn gebruikt om het vaartuig te doen ontbranden. Ongetwijfeld werd ook de natuurfilosoof Roger Bacon door dergelijke verhalen geïnspireerd, toen hij in zijn Opus Majus (1267) in een hoofdstuk over lenzen en spiegels schreef dat met zijn vergrootglazen de zon, maan en sterren dichtbij leken te komen. Deze waarneming moet echter op fantasie berusten, omdat in de dertiende eeuw hooguit lensvormige kristallen (zogenaamde lees-stenen) beschikbaar waren. Maar de prestaties van Bacon s zogenaamde instrument werden in latere beschrijvingen nog fors aangedikt, zodat we bijvoorbeeld kunnen lezen dat studenten in de zestiende eeuw met Bacon s spiegel konden zien wat mensen overal in de wereld aan het doen waren! Optici vóór Galilei In Italië ontstond in de zestiende eeuw een optische traditie, waarin diverse geleerden verkondigden een telescopisch instrument te hebben ontwikkeld. Tussen 1550 en 1560 beweren de hoogleraren Cardano en della Porta dat het mogelijk is om met twee spiegels ver weg gelegen zaken te zien, bijvoorbeeld alles wat gedaan wordt in gindse slaapkamer, mits er voldoende licht is. Minstens even belangwekkend is dat beiden ook de camera obscura beschrijven, en hoe een bolle lens of een holle spiegel de waarnemingen daarmee verbetert. In navolging van Bacon is het echter Engeland waar voor het eerst de combinatie van bolle lens en holle spiegel wordt beschreven, en wel door de gentleman Digges (1571) en de wiskundige Bourne (1578). Zij beweren dat met dit instrument op zeven mijl afstand munten en letters onderzocht kunnen worden, wat uiterst onwaarschijnlijk is. Het instrument van Bourne hebben we schematisch weergegeven in Figuur 6a. Hij ontwikkelde het in de context van het meten van hoogtes van objecten, zoals kerktorens, en het bepalen van hun afstanden. Dit werd gedaan door driehoeksmetingen te verrichten aan het spiegelbeeld in een horizontale spiegel. In Italië experimenteren onder andere della Porta en Sarpi met lenzen en spiegels. Beiden melden rond 1590 dat ze een telescopisch instrument hebben ontwikkeld, maar beiden houden hun technische beschrijving met opzet uiterst vaag. Indirect kan afgeleid worden dat ze verwijzen naar een andere combinatie van lens en spiegel (figuur 6b). Hun opstelling is duidelijk afgeleid uit de camera obscura. Na het grote succes van Galilei s Sterrenbode zou della Porta tot aan zijn dood blijven beweren de telescoop als eerste te hebben ontdekt, en zijn claim werd erkend door bijvoorbeeld Gassendi, Venturi en Kepler.
De combinatie van holle spiegel en lens is overigens wel gebruikt door Newton die er in 1672 zijn spiegeltelescoop op baseerde. Daarvoor moest Newton op een slimme manier het grootste probleem oplossen van de opstelling in figuur 6b, namelijk dat de waarnemer met zijn hoofd de invallende lichtbundel onderbreekt. Galilei en de telescoop Vanwege de eerdergenoemde ontwikkelingen was het alleen maar logisch dat Sarpi (en waarschijnlijk ook Galilei) aanvankelijk de aangekondigde ontdekking van de Nederlandse telescoop niet serieus nam. Dit instrument was immers al vanaf de Griekse oudheid bekend uit de verhalen, dus waarom zou deze nieuwe claim wèl waar zijn? Bovendien was het niet geloofwaardig dat een brillenmaker uit Middelburg meer succes had in deze ontwikkelingen dan generaties geleerde optici in Engeland en vooral Italië. En tenslotte bleven de technische details van de Nederlandse vinding bijna een jaar lang onbekend voor Galilei. Daardoor nam hij ongetwijfeld aan dat ook het Nederlandse instrument gebaseerd was op een combinatie van een holle spiegel met een (bolle of holle) lens, zoals figuur6a en 6b laten zien. Deze combinaties waren in Italië uitgebreid onderzocht, maar brachten ondanks alle hoogdravende beloftes maar kleine vergrotingsfactoren en een zeer lichtzwak beeld. Maar zodra Galilei in Augustus 1609, dus 10 maanden na de patentaanvraag van Hans Lipperhey, de technische details van de Nederlandse telescoop ontving (figuur 6c), fabriceerde hij een eigen exemplaar. Daarbij verhoogde hij de vergrotingsfactor al meteen van 3 naar 8. Drie maanden later had hij zelfs een model gereed dat 20x vergrootte. Met dat instrument deed Galilei in enkele weken al zijn grote ontdekkingen. Hij liet ze in grote haast afdrukken in de Sterrenbode, beducht als hij was voor competitie. 361 Referenties 1 Zie bijvoorbeeld M. Alonso en E.J. Finn, Fundamental University Physics, Volume II Fields and Waves, 2e editie (1983) blz.488-490. 2 A. van Helden, The invention of the telescope. Transactions of the American Philosophical Society, 67(4), 1977, 5-65. 3 R. Rashed, A pioneer in Anaclastics. Isis 81 (1990) 464-491. 4 E. Reeves, Galileo s Glassworks (Harvard University Press, Cambridge, 2008).