Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Оптические микроскопы имеют, помимо невозможности увеличить разрешение, и другие недостатки: прозрачные объекты нужно окрашивать, невозможно заглянуть внутрь непрозрачных объектов. В направлении преодоления этих ограничений и стали думать физики.

Но сперва расскажем о замечательном открытии, связанном как раз с одним из этих недостатков.

Пауль Эрлих (1854–1915, Нобелевская премия по физиологии 1908), врач, долго колебался между медициной и живописью. Точнее, его очаровывали картины, видимые под микроскопом при различном окрашивании препаратов: в бесцветных или прозрачных препаратах разные органы и микроорганизмы по-разному воспринимали вводимые краски и становились легче различимыми. И тут ему как-то сразу, в готовом виде, пришла в голову идея: а что если придумать такие краски, которые будут окрашивать только и только определенные органеллы или определенные микроорганизмы, а к ним присоединить ядовитые соединения, т. е. придумать такие «магические пули», которые избирательно, селективно будут убивать то, что надо, и поэтому лечить?

Так возникло новое направление в медицине — химиотерапия. И первым делом Эрлих решил испытать этот метод на самой сложной и неподдающейся тогда радикальному лечению болезни, на сифилисе. Было известно, что бледная спирохета, возбудитель сифилиса, погибает под действием ртутных препаратов, но они губят заодно и другие органы. Так что следовало изобрести такую краску, которая окрашивала бы только и только спирохеты, и прицепить к ней атомы ртути. Эрлиху удалось этого добиться на 606-м — по счету в лабораторном журнале — из исследованных красок-препаратов!

Этот совершенно новый тип микроскопа придумал и создал, используя волновые особенности света, Фриц Цернике (1888–1966, Нобелевская премия 1953 г.).

Цернике занимался усовершенствованием дифракционных решеток для астрономических приборов. Дифракционная решетка — это прозрачное стекло или зеркало с нанесенным на поверхность множеством тонких параллельных и равноотстоящих бороздок (щелей). Каждая бороздка является как бы независимым источником света, и все излучаемые ими потоки света соединяются на экране, но складываются или вычитаются в зависимости от того, прибывают они в данную точку в одинаковых или противоположных фазах. (Фазой называется определенное положение в процессе колебания: когда луч света проходит расстояние, равное длине волны, то за это время колебание совершает полный цикл, возвращается к исходной фазе.) Поскольку лучи от разных щелей проходят различные расстояния до заданной точки на экране, они приходят туда в разных фазах. Если свет монохроматичен (имеется только одна длина волны), то в результате такого сложения возникает интерференционная картина, состоящая из узких полос или линий, попеременно светлых (когда лучи приходят в одинаковых фазах) и темных (когда лучи приходят в противофазе). Если свет представляет собой смесь разных длин волн (цветов для видимого света), каждая длина волны дает свою дифракционную картину, отличную от остальных, и в результате получается непрерывный спектр отдельных цветов, подобный разложению в призме.

Цернике учел, что свет, проходящий через прозрачные объекты, должен отличаться от света, прошедшего такой же путь мимо них, своей фазой (скорость света в этих объектах обычно ниже). Теперь нужно было как-то превратить эту разницу фаз в разницу амплитуд, т. е. в различие яркости. Принцип, предложенный им, состоял в том, чтобы наложить свет, проходящий сквозь прозрачный объект, на однородное фоновое освещение светом, прошедшим мимо объекта, но у которого изменили фазу на четверть длины волны (в этот поток вставляется специальная пластинка). В результате сложения потоков света, проходящего сквозь прозрачный объект с запаздыванием по фазе относительно прямого света, и фонового освещения, которое как бы опережает его по фазе, образуется деструктивная интерференция, т. е. понижение яркости. Для глаза наблюдателя картина выглядит так, как если бы объект поглощал свет.

В 1953 г. Цернике был награжден Нобелевской премией по физике «за обоснование фазово-контрастого метода, особенно за изобретение фазовоконтрастного микроскопа)». «Когда Нобелевская премия присуждается за вклад в классическую физику, — сказал Эрик Хюльтен, член Шведской королевской академии наук, представляя лауреата, — то сам этот факт столь уникален, что в поисках аналогов нам придется вернуться к самым первым Нобелевским премиям», поскольку, за малым исключением, все последующие премии были присуждены «за открытия в области атомной и ядерной физики».

Фазово-контрастный микроскоп Цернике (1938) позволил наблюдать бесцветные организмы, клетки или бактерии без красителей, которые зачастую убивали образцы или меняли их свойства. (Наследники Аббе не обладали его интуицией: когда Цернике предложил им разработку этой идеи, они отказались. Как вспоминал Цернике: «Они сказали, что если бы это имело практическое значение, они бы уже изобрели это сами».)

Область применения оптического микроскопа ограничена, но сам его принцип — расширение волнового поля, прошедшего или отраженного, применим, в принципе, и к волнам других типов. Отсюда следовала возможность использования звуковых волн вместо световых: такие идеи появились уже в 1940-х гг., но работающие устройства (звуковизоры) были построены только в 1970-х.

Первый такой микроскоп спроектировал в начале 1940-х гг. инженер С. Я. Соколов в Ленинграде: он рассчитал, что микроскоп, использующий звуковые волны с частотой 3 000 мегагерц (3-109 Гц), будет иметь такую же разрешающую силу, как оптический микроскоп. В этих расчетах он исходил из того, что ультразвук этой частоты обладает той же длиной волны, что и видимый свет, но, повышая частоту ультразвука, можно добиться и более высокого разрешения. (Длины волн звука и света отличаются при равной частоте примерно в 100 тыс. раз, в отношении скоростей света и звука.)

Интересно и другое применение идейно сходной техники: никто не станет рассматривать в микроскоп большие объекты, а ведь их тоже нужно бывает увидеть — в уменьшенном виде. Сюда, например, относятся детали строения отдельных участков Земли: их можно «просветить» акустическими волнами, только, конечно, большой длины волны, часто инфразвуком, а потом, уменьшив, рассматривать. (Такие методы называются визуализацией акустических полей.)

Основное затруднение заключалось в отсутствии источников высокочастотных ультразвуковых колебаний. Но когда в результате развития радиолокационной техники, а затем и микроэлектроники такие генераторы были созданы, акустические микроскопы были построены и с тех пор активно используются для просмотра непрозрачных объектов и т. д. в промышленности, в контрольных устройствах.

Гипотеза де Бройля и ее подтверждение показали, что всем частицам можно приписать волновые свойства, а это означало, что их можно использовать и в микроскопии. Фактическую базу для таких построений можно было найти в теории У. Гамильтона, который еще в середине XIX в. установил оптико-механическую аналогию, т. е. аналогию между распространением света и движением частиц — мы говорили, что ее использовал в своей работе Э. Шредингер.

В 1926 г. X. Буш рассчитал фокусирующие действия магнитных полей и предложил строить на этой основе магнитные линзы для потоков электронов. Осуществив такие линзы, Эрнст Руска (1906–1988, Нобелевская премия 1986 г.) смог построить электронный микроскоп: поскольку легко получить электронный пучок с длиной волны в 100 тыс. раз короче световой, то и разрешающая сила (увеличение) такого микроскопа должна быть в сто тысяч раз больше!

В 1931 г. он сконструировал подходящую электронную линзу, электромагнит, который мог бы сосредоточить поток электронов точно так, как обычная линза сосредотачивает лучи света. А затем, используя комбинации нескольких таких линз, он завершил изобретение первого электронного микроскопа (1933). В этом приборе поток электронов проходил через тонкую пластину объекта, равномерно расширялся в полях линз и попадал на фотопленку или на флюоресцентный экран, а изображение на них затем можно было добавочно увеличить. Первый коммерческий электронный микроскоп был выпущен фирмой Сименс в 1939 г.

Разрешающая сила современных электронных микроскопов достигает 250 000, разработано и выпускается множество их модификаций: наряду с электронно-лучевой трубкой они являются важнейшим достижением целой дисциплины — электронной оптики (существуют электронные аналоги практически всех оптических устройств). Точнее, нужно отметить, что наряду с электронами можно использовать и ионы, поэтому можно говорить об электронной и ионной оптике.