Исследование природы похоже на путешествие в горах. Поднимаясь на вершину, путешественник иногда видит перед собою широчайшие перспективы, под его ногами расстилается живая картина местности, по которой без большого труда и ошибки можно предугадать дальнейшие этапы путешествия. В такие эпохи легко делать предсказания в науке и предвидеть ее дальнейший ход. Высоты, достигнутые Ньютоном в XVII веке, позволили ему наметить план развития физики, оказавшийся верным и руководящим почти до конца XIX столетия. Но области, раскрывающиеся перед путником-исследователем с горы, не безграничны, вдали стоят новые горные цепи, прячущие за собою неизвестное, и перед ними научные предсказания бессильны. Нужно продвинуться дальше, подняться на другую вершину, откуда открываются иные перспективы, и вновь можно наперед составлять план путешествия.
Справедливость этой аналогии безупречно подтверждалась до сих пор историей науки, и у нас нет оснований верить в возможность подъемов, которые раскрыли бы всю «карту науки» и таким образом исчерпали бы ее принципиальное содержание. Аэропланы, подводные лодки можно было предвидеть, и они действительно предсказывались еще в XV веке. Набросать план будущей молекулярной физики мог еще Ньютон. Но ни один человек, даже за день до открытия, не мог фантазировать о самопроизвольном распаде атомов (радиоактивность) или квантовых свойствах вещества и света, никто не догадывался о возможностях таких усилителей, как катодные лампы.
Разумеется, в науке, как и в остальных областях духовной деятельности человека, мыслимы фантастические сплетения без всякой фактической основы: можно мечтать о машине времени, позволяющей совершать путешествия в прошедшее и будущее, можно представить себе, забывая об основных законах природы, что пучок прожектора собирается в математическую точку и прожигает броню неприятельских кораблей, тысячи людей строили «вечные двигатели», но, конечно, ни на шаг не сдвинули науку.
Беспочвенная фантазия в науке, опирающаяся только на желание, почти всегда бесполезна и в корне противоречит научному методу. Ученый — не маг и не колдун, пределы его фантазии ограничены опытом, достойным доверия, и правильным мышлением. Однако и в этих как будто бы узких границах остается широкое поприще для фантазии.
*
Фантазия в оптике начинается уже с самого первого вопроса: что такое свет? Мы знаем теперь, что свет может рассматриваться как поток частиц, управляемых законом волн. Но многие свойства световых частиц-фотонов остаются неизвестными. Эти частицы существуют только в движении, неподвижный свет для нас немыслим. Поглощаясь в веществе, фотоны должны прекращать свое существование в отличие от вещественных частиц — электронов, нейтронов, протонов и т. д.
Есть и другие свойства, резко отделяющие фотоны от вещественных частиц. Произвести опыты, выясняющие ближе особенности фотонов, очень затруднительно. При таких условиях фантазия физика-теоретика свободно мчится вперед. Не является ли фотон соединением более простых частиц, например так называемых нейтрино, не имеющих заряда?
Существование нейтрино экспериментально еще не доказано, наличие их только подозревается при распаде радиоактивных атомов. Возможно, что новая фантастическая теория света рухнет перед лицом фактов, но сейчас этих фактов нет, и теория развивается свободно в фантастических просторах.
Вопрос о структуре фотона может иметь значение только для очень тонких явлений (например, саморассеяние света), до сих пор экспериментально не обнаруженных. Прочие оптические процессы распространения света и его действия на вещества, как по крайней мере думает современный физик-оптик, вполне объясняются представлением о свете как потоке фотонов, подчиняющимся волновым законам. Фантазия здесь может иметь только прикладной характер, и нам придется с самого же начала спуститься с теоретических высот к различным вопросам техники света.
О чем мечтает оптотехник, изучающий оптические приборы, вычисляющий и строящий их? Многие оптические приборы и теперь уже достигли очень большого совершенства в оптическом смысле. Нельзя построить оптический дальномер, который определял бы расстояния с значительно большей точностью, чем это делает современный хороший дальномер с той же базой. Дальнейшему улучшению мешают законы оптики, волновая природа света. Точно так же бессмысленно стремиться построить оптический микроскоп, который позволял бы различать предметы, размеры которых много меньше применяемой световой волны. Мечты оптика поэтому давно уже устремлены на то, чтобы построить микроскоп не для видимого света, а для света с очень короткими волнами, например для лучей Рентгена. Тогда можно будет увидеть предметы, в тысячи раз меньшие, чем это доступно теперь. Задача очень трудная, но принципиальных препятствий к этому нет. Сейчас — это фантазия, но она может стать и реальностью. Есть и другой путь к преодолению запретов, наложенных законами оптики в микроскопии. Это — переход от световых лучей к электронам. Современный электронный микроскоп успешно пробивает дорогу к осуществлению этой старой мечты физиков.
Астроном со своими телескопами не менее сетует на законы волновой оптики, ограничивающие различительную силу его приборов. Он вынужден строить вогнутые зеркала чудовищных размеров — до 5 метров в поперечнике, — чтобы изучить свойства удаленных звезд. На трубы ему приходится надевать интерферометры длиною в несколько метров, чтобы получить хотя бы в общих чертах сведения о размерах так называемых неподвижных звезд. При этом часто забывается одно. Волновая оптика действительно не позволяет получить изображения предметов, размеры которых много меньше длины световой волны. Но она уже указывает, что для тел одной и той же формы, но различных размеров, хотя бы и очень малых в сравнении со световой волной, должно получаться иное распределение интенсивностей в плоскости изображения. Известно, например, что формы звезд в наши телескопы различить нельзя, видны только дифракционные кружки, как-будто бы одинаковые для звезд различных размеров. На самом деле по законам волновой оптики распределение света внутри этих кружков неравномерно и неодинаково для различных звезд. Кружок ярче всего в центре, к краям яркость уменьшается. Если точно измерить как ослабевает яркость от центра кружка к краям, то можно вычислить размеры звезды, зная ее расстояние от земли. Таким путем можно надеяться определить размеры звезд при помощи обыкновенного сравнительно небольшого телескопа, но очень высокого качества. Это тоже одна из оптических фантазий, может быть и близких к осуществлению.
 |
| Астрономы вынуждены надевать на свои телескопы специальные приборы — интерферометры длиною в несколько метров, чтобы подучить хотя бы и общих чертах сведения о размерах так называемых неподвижных звезд. На снимке: интерферометр в 6 метров длиною, насаженный на телескоп обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии. |
Хорошие оптические приборы, дающие безукоризненное изображение предметов (фотообъективы микроскопов), всегда очень сложны и состоят из нескольких линз. Причина этого в известной степени не принципиальная, а практическая. Наши линзы почти всегда сферические, т. е. ограничены отрезками шаровых поверхностей. Это объясняется тем, что такие поверхности легче рассчитывать и удобнее шлифовать и полировать.
Фантазия о замене сферических линз несферическими будет осуществлена в недалеком будущем. Над этим работают многие аптики. Можно надеяться, что оптотехника скоро овладеет и способами расчета и методами изготовления несферических линз. Тогда оптические приборы упростятся и станут более совершенными.
*
Для различных практических и научных задач необходимо часто иметь очень «светосильные» оптические приборы, т. е. собирающие в изображении большое количество световой энергии. Оптотехника быстрыми шагами идет сейчас в этом направлении. На наших глазах появляются фотографические объективы колоссальной светосилы, появляются так называемые спектрографы, позволяющие снимать спектры собственного свечения неба и т. д. Введение несферических линз, несомненно, повлечет за собою еще больший успех в этой области.
 |
| Этот прибор служит для фотографирования изучений ночного неба. Он обладает весьма высокой светочувствительностью. Называется он спектрографом. |
Но можно мечтать о решении этой задачи и совсем с другой стороны. Светосильные приборы нужны потому, что наши фотографические материалы еще недостаточно чувствительны. Перед оптикой на этом пути открываются широкие перспективы. Из опытов с так называемыми цитогенетическими лучами проф. А. Г. Гурвича мы знаем теперь, насколько чувствительны живые клетки к ничтожным количествам светового излучения. По своей восприимчивости они в тысячи раз превосходят фотографические пластинки. Давно известны также фотохимические реакции, в которых за счет поглощения одного лишь атома света (фотона) образуются сотни тысяч молекул. Сюда относится, например, реакция соединения хлора с водородом под действием света. Другими словами, мы видим, что существуют такие химические вещества, которые весьма сильно реагируют на самые ничтожные количества света. Нет ничего нереального в том, что физика сумеет рано или поздно практически использовать и это явление. Фотография будущего, вероятно, будет совершенно отлична от современной. Там, где требуются теперь часовые экспозиции, в будущем понадобятся минуты и даже секунды.
Другой способ увеличения чувствительности фотографических пластинок основан на применении фотоэлектрического эффекта. Свет, попадая на металлическую пластинку, вырывает из нее электроны. Мы располагаем многими способами усиливать получающиеся при этом фотоэлектрические токи. Поместим вблизи фотографической пластинки металлическую пластинку. Пусть теперь на металлическую пластинку падает какое-либо оптическое изображение, — тогда из нее будут вылетать фотоэлектроны. Эти фотоэлектроны будут попадать на фотопластинку и действовать на нее так же, как действует свет. Усиливая фотоэлектрические токи во много раз, можно надеяться чрезвычайно повысить чувствительность фотографической пластинки.
Необычайно заманчива для оптика перспектива получения фотографических (или фотоэлектрических) пластинок, чувствительных к инфракрасным лучам, т. е. к невидимым лучам, дающим длинные волны. Все предметы, окружающие нас, светятся невидимым инфракрасным светом. Чем горячее предмет, тем короче средняя длина волны излучаемого им света. Если бы мы имели фотоматериалы, чувствительные к длине волны около 10 микронов, мы могли бы в темноте фотографировать человека, который точно так же светится инфракрасным светом. Такие фотоматериалы сделали бы для нас ночь почти столько же ясной, как и день.
Для той же цели могут служить и не только инфракрасные лучи. Даже во время самой глубокой ночи имеется очень слабый свет, происходящий от звезд, от ничтожного рассеяния солнечных лучей в атмосфере и наконец от собственного свечения (люминесценции) атмосферы. Если бы мы располагали фотографическими пластинками, в сотни раз более чувствительными, чем обычные, этого света было бы достаточно для быстрых съемок ночью.
Источники света, которыми мы располагаем сейчас, достигли большого совершенства. Правда, электрические лампы накаливании, даже самые экономичные, позволяют превращать в свет только несколько процентов затрачиваемой энергии.
Но так называемые «газосветные лампы» уже начинают приближаться к экономическому идеалу, превращая значительную часть подводимой энергии в видимый свет. Есть основания надеяться на значительное повышение экономичности и ламп накаливания. Для этого придется заменить применяемые теперь металлические нити из вольфрама весьма тугоплавкими окислами тантала или других элементов, позволяющих значительно повысить температуру накала. При этом экономичность лампочек должна весьма заметно увеличиться.
 |
| Проект телескопа-рефлектора с зеркалом в 6 метров диаметром. Такой телескоп строится для обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии. |
*
До сих пор мы уделяли мало внимания свечению в жидкой среде, которое происходит при химических реакциях (так называемые химлюминесценции). Между тем вполне допустимо говорить об источниках света, в которых световая энергия получается за счет химических превращений. Биологи давно знают немало живых организмов, в которых при окислении сложных органических веществ возникает очень интенсивное свечение в области спектра, к которой глаз наиболее чувствителен. При этом не менее половины освобождающейся химической энергии проявляется в виде света. Нет никакого сомнения, что систематические лабораторные поиски в этой области дадут нам совершенно новый тип источников света.
Наиболее интенсивные источники света обыкновенно имеют довольно большие размеры. Это влечет за собой огромные практические неудобства в тех случаях, когда источник соединяется с оптической системой. Например, известно, что если бы можно было в фокус хорошего параболического зеркала прожектора поместить источник света очень малых размеров, то мы получили бы на громадных расстояниях практически параллельный пучок. На деле же приходится пользоваться вольтовой дугой, размеры светящейся части которой сравнительно велики, поэтому дальность действия прожектора сильно уменьшается. Необходимо создать концентрированные источники света, которые давали бы при небольших своих размерах огромные яркости.
Успехи современной техники газосветных ламп позволяют надеяться, что и эта задача будет разрешена в недалеком будущем.
В заключение следует упомянуть о самом главном. До сих пор оптика по сравнению с такими разделами физики, как механика, теплота, электричество, занимала скромное место по причине ее энергетической незначительности. В самом деле, самый мощный световой поток несет с собою ничтожную энергию в сравнении с теми количествами, которыми оперирует техника. Между тем, источник всех наших основных энергетических ресурсов — это именно солнечный свет. Но техника утилизирует эту энергию не непосредственно, а через «комиссионеров» — уголь, нефть, водопады, ветры и т. д.
Оптик вполне справедливо мечтает о временах, когда откажутся от этих многочисленных «комиссионеров» и тогда техника света займет одно из главнейших мест. Это будет время, когда энергия солнечного света будет непосредственно улавливаться для нужд человека. Энергию света можно превращать в тепло, в энергию электрического тока, но, по-видимому, разумнее всего улавливать ее в форме энергии химических соединений. Фотоэлектрические процессы, происходящие под действием невидимых и видимых солнечных лучей с максимальной технической выгодой, — такова главная практическая задача оптики будущего.
Тогда можно будет осуществить самую широкую фантазию оптика — покрыть весь земной шар химическими гелиостанциями, которые будут регулировать всю энергетику социалистического общества.
Комментариев нет:
Отправить комментарий