Buenas, intentaré explicarlo fácilmente.
1. La nitidez y profundidad de campo es por definición. La profundidad de campo es el rango de distancia en el cual los objetos en una foto se ven nítidos. Por lo tanto, a f más grandes, mayor nitidez, aunque aquí entra en juego la distancia hiperfocal, es decir, la distancia a la cual se encuentra el sujeto del objetivo.
2. La distancia focal y la apertura están fuertemente relacionadas porque tiene sus limitaciones. La apertura máxima es la relación entre el grosor del haz de luz y la distancia focal. Ahora, a mayor distancia focal, para lograr una apertura muy grande (f pequeño) aquí entra en juego el diámetro de los cristales o lentes, lo que se traduce en objetivos demasiado grandes, pesados y caros.
El Canon 1200mm con f5.6 vale unos 99.000 €, hazte una idea de lo que costaría, pesaría y mediría un f4, por ejemplo
http://www.dvinfo.net/canon/images/images17.php
Por eso las ópticas con más mm y menores f son más caros que cualquier otro.
3. No es del todo cierto, los pasos f sigue una regla matemática:
f = distancia focal/diámetro del diafragma
1.4 - 2.8 - 4 - 5.6 - 8 - 11 - 16 -22 -32
Al pasar de una apertura a la inmediatamente superior, se disminuye la cantidad de luz a la mitad. De modo que un objetivo f/2.8 es el doble de luminoso que uno f/4 y la mitad que un f/1.4
Por lo tanto, no sería el doble, precisamente, el f/2 es más del doble de luminoso que un f/4. Y es por eso que cuando hiciste la prueba el f/4 salió mucho menos luminoso que a f/2, porque la diferencia es más del doble.
Espero que haya despejado alguna de tus dudas.