Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Важность этих открытий была оценена на заре ХХ в., когда в войнах стали задействоваться субмарины. В начале Первой мировой за усовершенствование ультразвуковых генераторов взялись россиянин Константин Шиловский и француз Поль Ланжевен. Основываясь все на том же эффекте пьезоэлектричества, ученые изобрели прибор, предназначенный для «сканирования» водной толщи на предмет вражеских объектов. Устройство, состоящее из излучателя и приемника УЗ- колебаний, предназначалось для сугубо боевых целей, но чуть позже еще один российский физик — Сергей Соколов придумал, как использовать отражение ультразвуковых волн для обнаружения внутренних повреждений деталей на производстве.

В медицину ультразвук пришел в конце 1930-х, когда венский психиатр Карл Дуссик, вдохновившись статьей Соколова, попросил брата-физика сконструировать прибор, подобный УЗ-дефектоскопу, а затем попробовал лечить ультразвуком ревматизм и диагностировать заболевания мозга. Процедура диагностики была не очень приятной: чтобы просканировать голову больного, требовалось полностью опустить ее в воду, — к тому же результаты оказались ненадежными. Зато многочисленные опыты Дуссика показали, что новообразования в организме отражают УЗ-волны сильнее, чем здоровые ткани, и с середины ХХ в. доработанный аппарат УЗИ наконец-то вошел в медицинскую практику.

Между тем в первой половине столетия ученые узнали, что некоторые представители животного мира тоже умеют сканировать окружающую среду ультразвуком. Издавая высокочастотные звуковые колебания, летучие мыши чувствуют, когда волны отражаются от объектов на пути, и ловко облетают препятствия. Впрочем, это умение, названное эхолокацией, было открыто еще в конце XVIII в. итальянским естествоиспытателем Ладзаро Спалланцани (1729–1799). Наблюдение того, как рукокрылые лучше всяких сов ориентируются в кромешной темноте, побудило ученого провести целый ряд не совсем гуманных экспериментов.

Перво-наперво Ладзаро нахлобучил зверькам на головы непрозрачные колпачки, и мыши вполне предсказуемо стали натыкаться на разные предметы и падать. Разумеется, ученый решил, что все это из-за закрытых глаз, но следующий эксперимент с прозрачными колпачками привел к тем же последствиям: зверьки могли видеть и все равно сбивались с пути. Раздосадованный, Спалланцани ослепил подопытных и отпустил их летать уже без колпаков, вследствие чего к мышам вернулись навигационные навыки.

Ладзаро немедля рассказал о своем наблюдении зарубежным коллегам и попросил их проверить данные эксперимента. Большинство ученых, повторивших его исследования, получили аналогичные результаты, однако швейцарский биолог Шарль Жюрин пошел дальше — залепил уши рукокрылых воском. В итоге зверьки стали вести себя, словно слепые, и Жюрин заключил, что уши служат мышкам «глазами», то есть распознают препятствия на пути.

Теперь уже пришла очередь Ладзаро повторять опыт швейцарского коллеги. Для пущей достоверности он вставил в уши мышкам анатомически подогнанные латунные трубочки. Когда трубочки были открыты, зверьки (даже слепые) передвигались в темноте без проблем, лавируя между препятствиями. Но как только ученый затыкал трубки, подопытные начинали панически метаться, сталкиваясь между собой и с разными предметами. Это подтвердило догадку Спалланцани: зрение рукокрылым ни к чему, а вот потеря слуха для них губительна.

Объяснить, как устроен «сканер» летучих мышей, ученые не смогли: им казалось, что зверьки не издают никаких звуков, потому неясно было, как они слышат окружающую среду. Из-за этого никто не воспринял открытие Спалланцани всерьез, а в начале XIX в. французский зоолог Жорж Кювье заявил, будто рукокрылые летят на… запах — то есть ориентируются в пространстве с помощью нюха. К тому времени Кювье слыл уже очень уважаемым ученым, и его бездоказательная теория была принята просто на веру.

Лишь в 1912 г. ее пересмотрел британский оружейник Хайрем Максим: в связи с крушением «Титаника» он инициировал разработку ультразвукового локатора для «прощупывания» крупных препятствий по курсу кораблей — мол, именно такой способ помогает летучим мышам обходить потенциально опасные объекты. Правда, Максим думал, будто зверьки, взмахивая крыльями, издают инфразвук частотой 15 Гц, однако в 1920-х британский врач Х. Хартридж выяснил: мышиные звуки ближе все-таки к высокочастотным волнам.

В 1938 г. гарвардские ученые Джордж Пирс и Дональд Гриффин подтвердили выводы Хартриджа. Пирс сконструировал прибор для улавливания ультразвука, Гриффин поднес к этому устройству летучую мышь — и в аппарате послышался громкий треск. После Гриффин рассудил, что способность рукокрылых летать на звук должна называться эхолокацией — ведь ее принцип полностью отвечает радиолокации.

В начале 1896 г. немецкий физик, профессор и ректор университета Вюрцбурга Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) сообщил об удивительном открытии — «всепроникающих» икс-лучах. Эта неожиданная находка не только позволила медикам визуально оценивать состояние внутренних органов пациента, не делая разрезов, но и подстегнула открытие радиоактивности.

За два года до того Вильгельм начал наблюдать, как происходит электрический разряд в стеклянной вакуумной трубке. Для этого трубка подключалась к источнику тока, и между двух электродов внутри нее возникало сильное напряжение, в результате чего катод (отрицательно заряженный электрод) испускал мощный поток электронов. Однажды вечером, когда в лаборатории был уже выключен свет, а Рентген стоял на пороге, в глаза ему бросилось что-то светящееся. Присмотревшись, ученый понял, что это экран, покрытый слоем кристаллов синеродистого бария, который обычно реагировал только на ультрафиолет. Между тем вакуумная трубка оказалась не выключенной из сети, и ученый нажал на выключатель. Кристаллы тут же погасли. Из любопытства Вильгельм возобновил питание трубки — экран снова засветился. Получается, во всем виновата трубка, подумал Рентген. Но что же происходит? До экрана от нее целый метр, да и футляр по идее не должен пропускать катодные лучи наружу…

Заинтригованный, ученый взял в руки бариевый экран и стал ходить с ним из одного угла лаборатории в другой, наблюдая за его состоянием. Экран показал, что загадочные лучи не отклоняются от своего направления, а спокойно проходят сквозь любые предметы. Тогда физик подставил под невидимые лучи собственную руку — и на экране возникло изображение скелета. Рентгену захотелось зафиксировать это изображение, но под воздействием излучения фотопластинка засветилась.

Как ни странно, ученый решил не спешить с обнародованием результатов своих наблюдений, а прежде досконально изучить, откуда берутся лучи (сам Рентген назвал их икс-лучами — за таинственность) и какими свойствами они обладают. На два месяца он закрылся в лаборатории, чтобы экспериментально проверить все свои догадки и гипотезы, и в конечном счете убедился, что излучение исходит именно от вакуумной трубки — точнее, из той ее области, куда падают катодные лучи.