Покоренный электрон

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.

21

Невидимыми остаются все предметы, размеры которых в 2–3 раза меньше длины световой волны, то есть меньше 0,40—0,75 микрона.

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]

22

В ультрафиолетовом микроскопе увеличенная картина препарата изображается на экране, который светится видимым светом под воздействием ультрафиолетовых лучей или на фотографической пластинке, чувствительной к ультрафиолетовым лучам.

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.