Прибор, показывающий колебания

 

Если имеется какой‑нибудь другой источник еще неизвестных для нас электрических колебаний, то достаточно подключить провода от этого источника к горизонтальным пластинам электроннолучевой трубки, и электронный луч нарисует зубчатую, пилообразную или волнистую линию, которая наглядно покажет, с каким видом колебаний мы имеем дело. Такая трубка, оснащенная вспомогательными приборами, называется электроннолучевым осциллоскопом или осциллографом. Слово осциллоскоп означает «показывающий колебания», а осциллограф – «записывающий колебания».

Все лаборатории и научно‑исследовательские институты, в которых изучают быстрые колебательные процессы, обязательно оснащаются электроннолучевыми осциллоскопами. Так, например, эти приборы применяют в научно‑исследовательском институте имени И. П. Павлова (в Колтушах под Ленинградом) для записи очень быстрых электрических колебаний, какие возникают во время работы головного мозга или сердца.

Лаборатория, в которой изучают электрические колебания мозга животных, состоит из двух смежных комнат. В одной из них помещается подопытное животное – кошка или кролик. В этой комнате почти нет никакой мебели, кроме станка, в котором закреплено животное во время опыта.

Стены комнаты под штукатуркой обиты металлической сеткой, окна тоже затянуты частой медной сеткой. Это – экран, он необходим, чтобы защитить животное и приборы от радиоволн и прочих электрических колебаний, которые могут помешать наблюдениям.

Во второй комнате установлен электроннолучевой осциллоскоп, и во время опыта там находятся исследователи.

Кошке, предназначенной для опытов, предварительно делают операцию: в мозг вводят тончайшие металлические проволочки – электроды. Деятельность мозга изучают обычно с помощью шестилучевого осциллоскопа, и в мозг вводят шесть электродов – по числу лучей. Их располагают в различных областях мозга – возле зрительных, слуховых, двигательных и других центров, или же размещают на равных расстояниях по прямой линии.

Подготовленное таким образом животное закрепляют в станке, а к электродам присоединяют провода от управляющих пластинок осциллоскопа. Затем кошку оставляют в полном одиночестве и начинают опыт.

Исследователь нажимает ту или иную кнопку. В изолированной комнате возле кошки вспыхивают и гаснут белые и синие электрические лампочки, щелкают шумовые приборы, кошку заставляют испытывать легкие уколы электрического тока.

Световые и звуковые сигналы действуют на зрение и слух животного. Под влиянием сигналов в различных участках мозга возникают электрические токи. Мощные усилители воспринимают эти токи и передают их на управляющие пластинки осциллоскопа, – каждый из шести лучей прибора начинает чертить на экране линию, отображающую характер колебаний, возникающих в различных местах мозга.

Киносъемочный аппарат, поставленный напротив экрана осциллоскопа, фотографирует зигзаги, вычерчиваемые лучами. Пленку проявляют и изучают, какие токи и в каких участках мозга возникали, когда вспыхивали лампочки, когда щелкал метроном или пищал зуммер.

Осциллограммы сличают между собой. Ученые устанавливают связь между причиной и следствиями, между сигналами и электрическими колебаниями в различных участках мозга; раскрывают законы деятельности мозга и нервной системы животных.

Работа человеческого организма может быть исследована с помощью новых электронных приборов.

В поликлиниках и больницах с успехом применяют электронные приборы для записи электрических токов сердца – электрокардиографа и электрических импульсов мозга – энцефалографа. Приборы помогают исследовать больной орган и уверенней его лечить.

 

Мир невидимых существ

 

В конце прошлого столетия на табачных плантациях Бессарабии и Украины распространилась заразная болезнь растений. На листьях табака появились белые, буро‑желтые и ярко‑зеленые пятнышки различной формы. Они испещряли листья причудливыми узорами, отчего эта болезнь получила название «мозаики». Листья, пораженные мозаичными пятнами, изъязвлялись. Растение увядало и гнило на корню, а соседние растения заражались и также погибали.

Загадочное заболевание табака охватывало одну плантацию за другой. Погибал урожай.

Молодой русский ученый‑ботаник Д. И. Ивановский отправился на юг, чтобы изучить новую болезнь и постараться найти средство борьбы с ней.

Табачная мозаика была явно заразной болезнью, она быстро переходила от одного растения на другое, и вполне естественно, что Ивановский предполагал найти возбудителя заболевания в виде каких‑ либо микроорганизмов – бактерий или грибков.

Ученый исследовал соки и ткани заболевших растений, но не нашел даже следов болезнетворных бактерий.

Тогда ученый предположил, что вредоносные микроорганизмы только временные гости на табаке. Они. появляются, гнездятся на листьях, отравляют растение выделяемыми ими ядами – токсинами и перекочевывают дальше. Оставленный же ими яд разъедает растение.

Ивановский принялся искать яд табачной мозаики. Он сорвал лист больного растения, растер его в кашицу, кашицу развел водой, а полученный раствор профильтровал сквозь тончайший фарфоровый фильтр, имеющий столь маленькие поры, что ни одна бактерия сквозь них пройти не могла. Тщательно профильтрованную жидкость Ивановский впрыснул совершенно здоровому растению. И оно заболело.

Результат первого опыта как‑будто убедил ученого, что причиной заболевания является именно яд. Профильтрованная жидкость была прозрачна, бесцветна и при наблюдении в микроскоп в ней не было видно ничего постороннего. Но Ивановский был человеком пытливого, ясного ума и он продолжил опыт, то есть сорвал лист с того растения, которое сам заразил, растер его в кашицу, развел водой и тщательно профильтровал сквозь мелкопористый фильтр. Полученную жидкость впрыснул здоровому растению. И это растение заболело.

«Странный яд! – размышлял Ивановский. – Был взят ядовитый сок только одного листа. Его развели водой. Разбавленным и, значит, ослабленным ядом вызвали заболевание другого растения. У этого растения тоже взяли сок одного листа. Опять развели его водой, значит, еще больше ослабили ядовитость, но растение все‑таки заболело…»

Ивановский сорвал лист второго зараженного им растения, растер его, сок развел водой, профильтровал и вспрыснул третьему, совершенно здоровому растению. И оно немедленно заболело. Сколько бы раз упорный исследователь ни повторял этот опыт, растения заболевали. Сколько бы раз ни разбавляли яд водой и соком подопытного растения, – яд ни на йоту не терял болезнетворной силы.

Любое ядовитое вещество, если его разбавлять водой, в конце‑концов потеряет ядовитость, а токсин табачной мозаики не ослабевал, он, наоборот, усиливался. Значит, причина табачной мозаики – не яд. Это, по всей вероятности, микроорганизмы, подобные бактериям, но настолько маленькие, что они невидимы в микроскоп и свободно проскальзывают сквозь отверстия самого мелкопористого фарфорового фильтра. Попадая в новое растение, они размножаются в нем и поэтому действие заразного начала не ослабевает.

14 февраля 1892 года Ивановский сделал в Академии наук доклад о своем открытии.

Микробы‑невидимки были названы вирусами. Ивановский по праву считается основателем новой отрасли науки – вирусологии.

Многие ученые продолжали исследования Ивановского и доказали, что не только заболевания растений, но и многие болезни людей – корь, грипп, оспа, свинка, энцефалит, водобоязнь, ящур – вызываются именно вирусами.

 

Измерение размеров вирусов

 

Не видя вирусов даже в самые сильные микроскопы, ученые все же определили приблизительные размеры вирусов по их способности проходить сквозь фильтры с более или менее крупными порами.

Было найдено, что вирус ящура имеет размеры несколько более 75 миллимикронов. Вирус табачной мозаики в два с половиной раза меньше вируса ящура – его размер 30 миллимикронов. Понятно, что его нельзя увидеть, ведь миллимикрон – это чрезвычайно малая величина.

Толщина спички 2 миллиметра. Толщина человеческого волоса измеряется уже не миллиметрами, а тысячными долями миллиметра – микронами. Паутинка еще тоньше волоса. Ее толщина – 5 микронов.

Если одну пятую толщины паутины, то есть один микрон разделить на 1000 частей, мы получим миллимикрон, или одну миллионную долю миллиметра.

Следовательно, шестьдесят пять тысяч вирусов табачной мозаики, уложенных цепочкой один к одному, займут в длину всего‑навсего 2 миллиметра, – они поместятся поперек спички.

Через несколько лет после смерти основоположника вирусологии Ивановского (он умер в 1920 году) ученые столкнулись с еще одним таинственным явлением, но уже не вредным, а полезным.

Биологи обнаружили, что в природе существует нечто невидимое, расправляющееся с дизентерийными бактериями, как тигр с ягнятами. В банке с водой кишат дизентерийные бактерии. Достаточно только одной капли жидкости, содержащей таинственное нечто, и в банке не останется ни одной болезнетворной бактерии.

Эта жидкость совершенно прозрачна. При наблюдении в микроскоп в ней решительно ничего не видно. Через самые мелкопористые фильтры целебная жидкость проходит, не теряя своих свойств. Ученые назвали это невидимое «нечто» – бактериофагом, то есть «пожирателем бактерий». Но что такое бактериофаг – было неизвестно.

Ученые причислили бактериофаг к вирусам, но к вирусам полезным, которые уничтожают врагов человека – болезнетворных бактерий.

Эти открытия доказали людям, что имеется многочисленный, разнообразный мир необычайно маленьких существ, из которых одни являются нашими злейшими врагами, другие – друзьями.

Но изучение этого мира было очень затруднено: он был невидим даже в самый лучший микроскоп.

Зоологи, ботаники, медики, ветеринары, агрономы обратились к оптикам с требованием – усовершенствовать микроскопы, сделать их более мощными и помочь науке раскрыть тайну невидимого мира.

В битве с вирусами человечество несет неисчислимые потери. В первой империалистической войне, длившейся с 1914 по 1918 год, было убито и умерло от ран 18 миллионов человек. В битве с вирусами гриппа, длившейся два года – с 1919 по 1920 год, – погибло 20 миллионов человек.

«Дайте же нам оружие для борьбы с этим свирепым и беспощадным врагом! – говорили врачи оптикам. – Дайте нам такой микроскоп, чтобы мы могли разглядеть врага».

Оптики отвечали: «Увы, мы бессильны. Микроскоп, дающий полезное увеличение более чем в 1000 раз, сделать невозможно. Мы, конечно, сумеем построить микроскоп, который будет увеличивать изображение предмета в 2000–3000 раз – даже больше, но, увы, с его помощью вы увидите то же самое, что и при тысячекратном увеличении. Предмет будет казаться больше, крупнее, но нужных деталей или каких‑либо подробностей различить не удастся; даже, наоборот, появятся искажения, которые помешают исследованию и будут вводить наблюдателя в заблуждение. 1000 – это предел полезного увеличения, за который не может переступить оптика».

 

Удивительный опыт

 

Известно, что тень от непрозрачного диска, если его держать поперек светового луча, будет иметь форму круга. От квадрата тень получится квадратной, от кольца – кольцевой. Но всегда ли тень предмета соответствует предмету? У всякого ли непрозрачного тела обязательно должна иметься тень?

Был сделан такой опыт. На просторный ровный луг привезли мощный прожектор. Его установили на одном краю луга, а на противоположном – врыли в землю большой щит вроде тех, что ставят на стрельбищах.

Вечером, когда стемнело, запустили мотор прожекторной станции и включили ток. Луч прожектора направили вдоль поверхности земли на щит, стоявший примерно в четырех километрах от прожектора. Щит, выкрашенный белой краской, ярко осветился.

Один из производивших этот опыт вынул из портфеля фанерный диск размером с обыкновенную обеденную тарелку. Диск укрепили на заостренном шесте и понесли по направлению к прожектору. Пройдя примерно 500 метров, воткнули шест в землю так, чтобы диск стал поперек луча прожектора и его тень упала бы на шест.

К великому удивлению прожектористов и местных жителей, заинтересовавшихся опытом, тень от круга не была сплошным кругом. В середине тени от деревянного диска виднелось ярко освещенное пятно, как будто в центре диска имелось отверстие.

Но никакого окошка в диске не было, а его тень получилась почему‑то кольцеобразной! (Рис. 73.).

Рис. 73. Дифракция света. Фотография тени руки, которая держит тарелку. На верхнем снимке: тень, получившаяся на расстоянии трех метров между источником света и тарелкой, на втором снимке это расстояние равно примерно двум километрам, а на третьем – семи километрам.

 

Причина этого, на первый взгляд странного и необъяснимого, явления кроется в самой природе света.

Свет огибает препятствия, встречающиеся на его пути, как огибают их морские волны или звуковые колебания. Именно благодаря своей колебательной, волновой природе свет обладает такой способностью.

Лучи прожектора, скользнувшие возле краев деревянного диска, обогнули их, отклонились от прямолинейного пути и упали на щит в центре тени от диска, образовав там светлое пятно. Тень диска приобрела вид кольца.

Световые лучи, огибающие препятствие, отклоняются от прежнего направления на очень небольшой угол. Поэтому для опыта требуется, чтобы щит стоял на большом удалении от диска и от источника света, но для маленьких предметов это расстояние может быть соответственно меньше.

Теперь мысленно представьте себе совсем маленький диск. Не может ли случиться так, что световые лучи, обогнув его края, сойдутся и тени от диска не получится вовсе?

Действительно, так и происходит. Очень маленькие предметы свет огибает полностью.

Свет как бы «не замечает» очень малых препятствий. И их поэтому нельзя увидеть, и никакое увеличение тут не поможет.[21]

Предметы, имеющие в поперечнике меньше 0,2 микрона, не отбрасывают тени, свет их огибает со всех сторон, как звуковые волны мебель в комнате, и они остаются невидимыми при любых увеличениях микроскопа.

 

Предел полезного увеличения

 

Человеческий глаз очень зорок, он способен заметить паутинку, натянутую между деревьями, особенно если она освещена солнцем, а толщина паутинки – 5 микронов. При обычном освещении мы в состоянии увидеть тонкий волос, толщиной в 25 микронов. Предмет, вчетверо больший, толщиной около 100 микронов – как, например, тире в этой книге – уже виден прекрасно.

Следовательно, чтобы разглядеть предмет диаметром в 0,2 микрона, его видимые размеры надо увеличить до 100 микронов, то есть до размеров, хорошо видимых глазом. А для этого достаточно иметь увеличение всего лишь в 500 раз, так как 100: 0,2 = 500!

Оптики считают, что увеличение в 1000 раз еще помогает различать новые детали или особенности рассматриваемого предмета, но большее увеличение уже совершенно бесполезно. Оно не позволит увидеть более мелких частиц, не позволит различить никаких новых деталей наблюдаемой в микроскоп картины.

Именно поэтому тысячекратное увеличение оказалось пределом полезного увеличения обычного микроскопа; и именно поэтому такой микроскоп не дает возможности видеть вирусы, размеры которых много меньше 0,2 микрона.

Но раз все дело в длине волны, естественно возник вопрос – нельзя ли воспользоваться такими электромагнитными колебаниями, у которых длина волны меньше, чем у видимого света?

Прежде всего обратились к ультрафиолетовым лучам. Ультрафиолетовый микроскоп, в особенности тот тип его, который был разработан в Советском Союзе Е. М. Брумбергом по идее академика С. И. Вавилова и под его руководством, оказался очень полезным для многих исследований. Многие биологические препараты, в тонких срезах слишком прозрачные для видимого света, гораздо сильнее поглощают ультрафиолетовые лучи. Поэтому в ультрафиолетовом микроскопе такие препараты дают гораздо более контрастную картину, чем в обычном микроскопе.[22]

Однако волны света, применяемые в ультрафиолетовом микроскопе, только немногим короче волн видимого света, и поэтому наблюдать вирусы и другие столь же мелкие объекты ультрафиолетовый микроскоп не позволяет.

У рентгеновских лучей длины волн в тысячи раз меньше. Но они почти не преломляются, и поэтому для них нельзя изготовить линз, дающих увеличенное изображение. Кроме того, большинство веществ для рентгеновских лучей прозрачно, и сквозь какой‑нибудь вирус они пройдут без задержки, не давая никакой тени от него.

 

Задачу решают электроны

 

Не помогут ли электроны увидеть невидимое? На первый взгляд электроны здесь бесполезны Ведь мы представляем их себе в виде мельчайших частичек. Разве могут частички соперничать со световым лучом и даже заменять его? А почему бы и нет?

Если сыпать из сита муку на руку, то на столе образуется «тень» руки – место, куда мука не насыпалась (рис. 74).

Рис. 74. Сравнение тени от руки, полученной в световом потоке и в потоке мелких просеянных сквозь сито, частиц муки.

 

Художники иногда вместо кисти пользуются пульверизатором. Выдувая краску из пульверизатора мелкой пылью и прикладывая к окрашиваемой поверхности заранее заготовленные шаблоны – трафареты, они быстро получают нужный узор.

Там, где в трафарете вырезаны отверстия, распыленная краска ложится на раскрашиваемый предмет, где отверстий нет, остается «тень» – незакрашенное место.

Распыленной краской можно рисовать не хуже, чем кистью.

Наука пока еще имеет весьма смутные представления о размерах электрона. Известно лишь только то, что они очень малы. Их поперечник по всей вероятности определяется миллионными долями миллимикрона. Не миллиметра, а именно миллимикрона! Это значит, что вирус табачной мозаики во много миллионов раз крупнее электрона!

Если мысленно увеличить электрон до размеров маленькой дробинки, то вирус табачной мозаики придется представить себе в виде огромной горы.

Дробинка, выпущенная из ружья, не может облететь гору стороной, подобно птице. Так и электроны, вылетевшие из электронной пушки, не смогут обогнуть «гору» – вирус. Электроны могут пронизать его насквозь в миллионе мест и долететь к экрану. Но не все электроны беспрепятственно пролетят сквозь вирус. Для электронов вещество почти не прозрачно и только сквозь тончайшие слои могут пролетать быстрые электроны.

Некоторые из электронов, пролетая близко от атомов (а вирусы, как и все тела в природе, состоят из атомов), будут отклонены электромагнитными полями атомов и изменят свой путь.

Там, где у вируса имеется какое‑либо утолщение или уплотнение, электроны встретят больше атомов и многие из них отлетят в стороны, то есть рассеются, не достигнув экрана.

В тех местах, где вирус тоньше, где атомов меньше, электроны пройдут более свободно. И на экране получится тень вируса – более темная там, где вещество уплотнено, и более светлая, где веществе тонко.

Однако пытаться разглядеть электронную тень вируса – дело совершенно бессмысленное. Тень вируса будет почти столь же мала и так же невидима, как и сам вирус, – портрет этого врага человека, сделанный в натуральную величину, бесполезен.

Получить сильно увеличенные изображения вирусов и других мельчайших телец можно только в том случае, если найдется способ подчинить электронный луч законам оптики, то есть заставить его преломляться и фокусироваться – давать увеличенное изображение предмета.

Само собой разумеется, что применить для этой цели стеклянные линзы не удастся. Не только стекло, но даже воздух почти непроницаем для электронного луча. Налетая на атомы и молекулы газов или других веществ, электроны отскакивают от них, почти как мячи, и рассеиваются в окружающем пространстве.

Следовательно, электронный микроскоп должен быть безвоздушным. Условия нелегкие, – только в сказках бывают такие загадки. Но все же эту трудность удалось преодолеть. Воздух из корпуса микроскопа откачали, а линзами послужили электрические или магнитные поля.

Магнитным полем можно заставить электрон лететь по спирали, проделывать сложные сальто и петли.

Поэтому магнитные поля, создаваемые катушками определенной формы, оказались прекрасными линзами для электронного луча (рис. 75).

Рис. 75. Магнитное поле служит линзой для электронных лучей.

 

Теоретические расчеты показывали, что электронный микроскоп при достаточном его усовершенствовании способен дать полезное увеличение не в тысячу раз, как оптический микроскоп, а в миллионы раз. Он должен позволить четко различать частицы размером в сотые доли миллимикрона. Электронный микроскоп может снять «шапку‑невидимку» с вирусов, со всего необъятного мира ничтожно‑малых телец и даже с молекул.