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

Измерения этих масс весьма приблизительны из-за того, что никто не видел и, возможно, никогда не увидит кварков в свободном состоянии: если в привычных нам ядерном, гравитационном или электромагнитном взаимодействиях их сила падает с расстоянием, то с кварками положение, видимо, иное — сила притяжения между ними растет с расстоянием (можно провести аналогию с нарастанием силы при растяжении пружины). Поэтому и возникает проблема не-вылета или удержания кварков — ее называют обычно «проблемой конфайнмента», без перевода с английского на русский.

Итак, сейчас экспериментально зафиксировано шесть кварков, каждый из которых может быть трех цветов, и шесть лептонов (мы пока не рассматривали кванты полей, переносящих взаимодействие между ними). Существующие теории не требуют наличия еще каких-либо кварков или лептонов, но ручаться головой, что их больше нет и что именно они представляют собой последние кирпичики мироздания, вряд ли стоит.

Первыми специализированными научными приборами были микроскопы и телескопы. На примере их развития хорошо прослеживается ход научного и технического прогресса. Поэтому интересно рассмотреть, как эволюционировали эти приборы (мы остановимся только на истории микроскопов) и как менялось отношение к ним.

Микроскоп (от греческих «микрос» и «скопео» — малый и смотрю) — это, в принципе, любой прибор для создания увеличенных изображений малых объектов: наш глаз различает размеры только до 0,1 мм. Самым простым микроскопом является лупа — одиночная линза с сильным увеличением, которая использовалась уже в середине XV в. К 1673 г. голландский натуралист-любитель Антони ван Левенгук (1632–1723) научился создавать линзы почти с 300-кратным увеличением, что дало ему возможность наблюдать бактерии размером в 2–3 микрометра, открыть существование сперматозоидов и т. д. Микроскоп Левенгука — это просто круглый стеклянный шарик, через который надо было смотреть держа его вблизи глаза и располагая объект на миллиметровых расстояниях от линзы. Левенгук производил эти «микроскопы» десятками и с каждым скреплял какой-нибудь объект, но в своих наивных письмах Лондонскому королевскому обществу, переполненных рассуждениями о погоде, о своем здоровье и т. п., он описывает множество сделанных им открытий.

Еще в XVI в. конструируется составной микроскоп с дополнительной линзой: увеличенное изображение, даваемое объективом, рассматривается, для добавочного увеличения, через окуляр. Такой микроскоп собирали Галилей, еще более совершенный микроскоп с микрометрическим винтом построил Р. Гук (он написал книгу «Микрография», где описал свои многочисленные, хотя и не систематизированные наблюдения). Однако только в 1830 г. английский микроскопист Дж. Дж. Листер (1786–1869) установил теоретические принципы комбинации линз, после чего оказалось возможным создавать сложные составные линзы, не привносящие геометрические и цветовые искажения в изображения.

Дальнейшие успехи оптической микроскопии связаны, в основном, с работами Эрнста Карла Аббе (1840–1905) на предприятиях Карла Цейсса. Аббе сочетал в себе способности теоретика, инженера-конструктора и технолога. Его уникальная всесторонность и увлеченность работой позволили достичь того, что конструкции оптических приборов Цейсса стали не только лучшими в мире, но и почти не менялись в течение долгих десятилетий [45] Необходимо отметить и взгляды обоих создателей этих приборов, Карла Цейсса и Эрнста Аббе: Цейсс завещал все предприятия Аббе, а он, в свою очередь, оставил их своим сотрудникам и рабочим. Таким образом, фирма «Карл Цейсс» стала первым в мире и единственным по-настоящему социалистическим предприятием, управляемым советом владельцев, служащих на нем. .

Аббе разработал теорию построения изображений в микроскопе (1872), перестроил технологию получения оптических стекол и сконструировал первый современный микроскоп (1878), который продолжал все время улучшать — можно сказать, что все дальнейшие микроскопы ничем, кроме деталей дизайна, от него не отличаются (Аббе изобрел и построил еще целый ряд оптических приборов).

Помимо того, Аббе определил пределы разрешимости оптического микроскопа — они оказываются порядка 1500 крат и определяются длиной волны света — не менее 0,35 мкм для фиолетового конца спектра (0,35 · 1500 = 525 мкм ~ 0,5 мм). Дело в том, что для наблюдения предмета необходимо, чтобы он искажал волновое поле, а предмет, размеры которого меньше длины волны, колеблется вместе с волною и на ее форму не влияет.

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.