позволившей создавать на основе сферических зеркал самые короткие, самые совершенные и дешевые телескопы. Советские специалисты создали замечательные фото— и киноаппараты и другие оптические приборы и инструменты, пользующиеся заслуженным признанием во всем мире, где они успешно конкурируют с немецкими, японскими и американскими оптическими изделиями.
Развитие оптических приборов имеет большие перспективы. Рамки астрономии теперь ограничены не возможностями оптиков, а свойствами земной атмосферы и быстрым ростом стоимости крупных телескопов. Первое препятствие устраняется вынесением телескопов за пределы атмосферы. Космическая астрономия овладевает диапазоном миллиметровых радиоволн с одной стороны видимого спектра; коротким ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением с другой его стороны. И те, и другие участки диапазона полностью поглощаются толщей атмосферы и не достигают поверхности Земли. Современная электроника и автоматика позволяют удешевить изготовление крупных телескопов, делать их составными. Уже существуют телескопы, в которых несколько зеркал средних размеров создают общее изображение, не уступающее тому, что получается при помощи зеркал-гигантов.
Так еще в одной области люди обнаружили скрытые резервы в своих знаниях о природе, новые пути изучения окружающего мира. А главное — эти пути обещают привести человека в мир столь малых предметов, которые свет не в состоянии ни обнаружить, ни исследовать. Об этом — наш следующий рассказ.
КВАНТОВЫЙ БИЛЬЯРД
Миражи
Работы Аббе открыли путь к пониманию принципиальных ограничений оптических приборов. Ни конструктивные усовершенствования, ни повышение качества линз, ни самые изощренные их комбинации не способны показать наблюдателю детали, меньшие, чем длина волны видимого света.
Но человек не может не мечтать. Запреты и трудности лишь увеличивают настойчивость и энергию первопроходцев. В случае с микроскопом сама природа подсказывала путь. Нужно перейти от видимого света к более коротким, ультрафиолетовым волнам. Пусть они не видимы глазом, пусть стекло для них не прозрачно. Нужно найти материалы, прозрачные для этих волн, и научиться превращать изображения, не видимые глазом, в видимые.
Так появились различные ультрафиолетовые микроскопы с линзами из специального увиолевого стекла или плавленого кварца и даже совсем без линз — зеркальные микроскопы. В этих микроскопах изображение формируется на фотоэмульсии или на специальных люминесцентных экранах, подобных экранам телевизоров. После обработки на фотоэмульсиях получается обычное видимое изображение. А люминесцентные экраны, светящиеся видимым светом под действием ультрафиолетовых лучей, позволяют непосредственно следить за поведением микроскопических объектов, освещенных незримыми лучами.
Микроскопы этого типа проникли даже в диапазон, лежащий за пределом ультрафиолетовых волн. Методы, позволившие создать микроскопы ультрафиолетового диапазона, сохранили свою применимость и в диапазоне мягких рентгеновских волн, которые сильно поглощаются и рассеиваются биологическими объектами.
Путь перехода к невидимым электромагнитным волнам, непосредственно следующий из идей Аббе, оказался далеко не единственным. Здесь нельзя не повторить вслед за академиком Рождественским, что в микроскопии творит новое и совершенное тот, кто знает, для чего творит и что ищет. Задачи развития биологических дисциплин предъявляли к микроскопам свои специфические требования. Многие биологические объекты не только очень малы, но и слишком прозрачны. Микроорганизмы и клетки животных и растений обычно окрашены почти столь же слабо, как вода или остальная масса окружающих тканей. Как разглядеть их? Прямой путь — окрашивание — не всегда применим. Имеются случаи неокрашивающихся объектов. Иногда краски убивают живые организмы. Даже в тех случаях, когда окрашивание дает результаты, оно требует лишнего времени.
Но не биологи впервые научились фотографировать бесцветные прозрачные образования. Этого добились конструкторы микроскопов, работа которых сводилась на нет, если в линзах гнездились невидимые дефекты. Такие дефекты нередки в любых стеклах — и в оконных, и в тех, из которых готовят линзы для ответственных оптических приборов.
Наблюдали ли вы когда-нибудь, как солнечный свет, проходя через оконное стекло на белую стену, рисует на ней узоры? Встречаются очень красивые и разнообразные рисунки, в которых переплетаются светлые и темные области. Причина — внутренние неоднородности в стекле. Они могут возникнуть из-за непостоянства состава стекла, если его компоненты плохо перемешаны при варке, или из-за внутренних натяжений, возникших при остывании стекла. При этом прозрачность стекла не нарушается, но возникают неоднородности показателя преломления. Такие неоднородности влияют на распространение света, искривляют ход световых лучей.
Марево, часто искажающее удаленные предметы в пустыне или степи в жаркую погоду, видимая игра воздуха в проеме открытой форточки в морозный день, когда смешиваются потоки теплого и холодного воздуха, — все это родственные явления. Их причина — искривление пути света в средах с изменяющимся показателем преломления — рефракция. Иногда рефракция приводит к эффектным картинам миражей, производящим огромное впечатление на путешественников.
Оптики называют неоднородности в стекле свилью или свилями, а в быту они известны как «стеклянные сучки». Зафиксирован ряд случаев, когда такие стеклянные сучки были причиной пожаров — они способны действовать как собирающие линзы. Вероятно, многие таинственные загорания вызваны подобными дефектами оконных стекол. Слабая свиль, обычно незаметная в оконных стеклах и витринах, может сделать совершенно непригодным объектив, хотя его поверхность обработана с предельной точностью. Поэтому оптики настойчиво искали метод, позволяющий оценивать однородность стекла перед тем, как начинать трудоемкое изготовление линз.
По-видимому, первым, кто догадался извлечь пользу из того, что. свиль не приводит к поглощению света, а лишь изменяет путь его распространения, был Тёплер, оптик, живший в конце прошлого века. Он придумал простейший метод обнаружения свилей в стеклянных заготовках. Для этого нужно взять точечный источник света или попросту любой источник малых размеров, но яркий. По тем временам лучше всего подходила вольтова дуга. Если такой источник есть, дальнейшее зависит от размера объекта, подлежащего исследованию. Когда он велик, например, это большой кусок стекла, то опыт следует проводить в темной комнате с черными стенами. Нужен белый экран и непрозрачная заслонка, которую вдвигают между источником и экраном так, чтобы она своим краем только-только закрыла экран от источника. Как только экран стал темным, заслонку надо закрепить. Итак, экран темный. Можно начинать исследование куска стекла, который прячется за экраном. Его выдвигают из-за экрана так, чтобы он оказался освещенным. Если свилей нет, экран останется темным. Но если в куске есть свиль, она обязательно нарушит прямолинейность распространения света и часть его попадет на экран. Вот и вся механика опыта. Распределение света на экране позволяет судить о величине неоднородностей и их расположении в массе стекла. Этот простейший метод и его модификации носят имя Тёплера. Иногда его называют методом затемненного поля зрения.
В более сложном исполнении Тёплеровская установка применяется не только для исследования качества стекла, но и для того, чтобы сделать видимыми потоки воздуха в аэродинамических трубах или фотографировать волны, возбужденные в воздухе летящими пулями и снарядами.
Этим
