Нобелевские премии. Ученые и открытия
Шрифт:
За последнее столетие ученые, используя свойства света, поставили немало экспериментов и создали приборы, которыми существенно обогатили различные области науки. Некоторые из ученых-оптиков за свои заслуги были удостоены Нобелевской премии. Первым из них был Альберт Абрахам Майкельсон. Будучи типичным представителем науки XIX в., он считал, что в физике уже почти все открыто и достичь новых результатов можно, только повысив точность экспериментальных измерений — «выше шестого десятичного знака».
Одним из важных вопросов в науке того времени была проблема так называемого эфира. Физики считали, что это неподвижная среда, заполняющая всю Вселенную, в которой свет распространяется так же, как звук в воздухе. Согласно
Постановка таких опытов требовала исключительно точной аппаратуры и большого искусства экспериментаторов. Обе эти предпосылки были налицо у Альберта Майкельсона. В 1881 г. он использовал изобретенный им интерферометр, чтобы решить вопрос об эфире. К своему величайшему удивлению, исследователи обнаружили, что скорость света оказывается одинаковой во всех направлениях [7] . Это означало крушение концепции эфира. Однако большинство физиков, не желая отказываться от укоренившихся теорий, предпочли отвергнуть результаты Майкельсона. Только Хендрик Антон Лоренц в Лейдене и независимо от него Фрэнсис Фицджеральд в Дублине попытались объяснить результаты наблюдений Майкельсона, выдвинув гипотезу (1892 г.), что при движении со скоростью, близкой к скорости света, размеры тела в направлении движения сокращаются. В 1905 г. Эйнштейн доказал, что сокращение Лоренца — Фицджеральда действительно имеет место. Но идея, предложенная этими двумя учеными с единственной целью — «спасти эфир», приобрела в теории относительности другой смысл.
7
Этот результат был получен в 1887 г. в экспериментах, проведенных Майкельсоном совместно с Э. Морли. — Прим. ред.
Основой для этих теоретических достижений явились исключительно точные измерения Альберта Майкельсона. В 1907 г. он был удостоен Нобелевской премии за создание прецизионных оптических инструментов и выполненные с их помощью исследования в спектроскопии и метрологии.
В 30-е годы XIX в. была открыта фотография. Всего за несколько десятилетий она из сложного лабораторного процесса, доступного немногим, превратилась в увлечение миллионов людей. Уже в конце XIX в. крупные фирмы производили столь совершенные фотоаппараты, что фотографу-любителю оставалось просто нажимать спуск. Лишь один вопрос оставался неразрешимым: изображения были только черно-белыми. Единственный способ получения цветных снимков состоял в том, чтобы делать негативы трех основных цветов и накладывать их друг на друга. Но это довольно сложный и трудоемкий способ. Поэтому новость о том, что французский физик Габриель Липман изобрел в 1891 г. метод цветной фотографии, вызвала большой интерес.
Липман вставлял фотопластинку в специальную кассету со ртутью, которая создавала абсолютно ровную зеркальную поверхность. Свет, проходя через эмульсию, отражается от зеркала и возвращается обратно. При интерференции между падающим и отраженным лучами образуются стоячие волны, в результате чего кристаллы серебра в проявленной эмульсии располагаются слоями. При рассмотрении такого негатива свет отражается от него таким образом, что изображение видно в настоящих цветах.
Метод Липмана нашел применение в спектроскопии, однако для практической фотографии он оказался неудобным. Трудности вызывали кассета с ртутью и очень большое время экспозиции (1 мин). Сама же по себе идея очень интересна, и некоторые специалисты даже считают, что Габриель Липман был близок к открытию голографии. За свои оригинальные
В 1872 г. немецкий физик-оптик Эрнст Карл Аббе разработал теорию образования изображений в микроскопе. Это явилось вершиной развития данного оптического инструмента, известного еще с начала XVII в. Два столетия многие ученые-экспериментаторы и мастера-оптики создавали разнообразные конструкции этого прибора, пока наконец Аббе, основываясь на законах волновой оптики, не рассчитал теоретически пределы возможностей оптического микроскопа. В 1888 г. он стал сотрудником фирмы Карла Цейса в Йене — и с тех пор началось производство высококачественных оптических микроскопов современного типа.
Единственное большое новшество — после работ Аббе — в конструкцию микроскопов было введено в 1935 г. нидерландским физиком Фрицем Цернике, профессором — Гронингенского университета. Первоначально его работа была связана с усовершенствованием качества оптической поверхности зеркал для телескопов. В 1935 г. он пришел к мысли, что разработанный им метод может быть применен и в микроскопии.
В микроскопе Цернике лучи света проходят через апертурную диафрагму, отверстие которой имеет форму кольца, а вблизи заднего фокуса объектива помещается так называемая фазовая пластинка, имеющая кольцевидный выступ, или канавку. Лучи света, которые свободно проходят через объект, проходят и через фазовое кольцо, в то время как лучи, рассеянные объектом, отклоняются в сторону. В связи с тем что толщина пластинки различна, возникает разность фаз волн двух световых потоков. В конечном счете в окуляре происходит интереференция лучей, что значительно повышает контрастность изображения. Иными словами, в пластинке различие в фазе волны преобразуется в различие амплитуд, т. е. яркости.
Метод фазового контраста, разработанный Цернике, исключительно ценен для биологических исследований. Обычно живые клетки почти прозрачны. Чтобы были видны детали, их нужно фиксировать и окрашивать. Фазо-контрастный микроскоп позволяет заметить большое количество подробностей структуры, которые иначе не видны или же изменяются при фиксации. Фриц Цернике, автор этой оригинальной идеи, был удостоен в 1953 г. Нобелевской премии по физике за разработку метода фазового контраста и создание фазоконтрастного микроскопа.
В 1947 г. было сделано научное открытие, которое первоначально воспринималось просто как очередное доказательство волновых свойств света, но впоследствии оказалось, что оно является значительно более фундаментальным и может найти широкое применение. Именно тогда была создана голография.
Об этом открытии стало известно в 1948 г., когда английский физик венгерского происхождения Деннис Габор сообщил о разработанном им методе получения объемных изображений. Он назвал этот метод голографией, что означает «полное (объемное) изображение». В отличие от фотографии, которая фиксирует только интенсивность света и создает плоское изображение объекта, голография регистрирует вол новый фронт светового луча и воспроизводит трехмерное изображение предмета.
В 1964 году Эммет Лейт и Юрис Упатниекс получили первые голограммы с использованием лазерного луча. Они до некоторой степени видоизменили схему Габора, и теперь голограммы получают путем разделения исходного светового луча на два с помощью полупрозрачного зеркала. Одна часть света отражается от объекта, другая идет непосредственно на фотопластинку. Там световые лучи накладываются друг на друга (интерферируют), и, так как они различаются по фазе, возникает сложная, интерференционная картина, которая записывается на светочувствительную эмульсию. Это и есть голограмма. Простым глазом на ней виден переплетающийся орнамент из черточек, точек и т. п. На первый взгляд голограмма выглядит как испорченный негатив, однако она обладает замечательными свойствами.