Для того чтобы понять, что происходит в микро– и мегамире, требуются сложно устроенные приборы. Первыми шагами на пути познания этих миров были изобретения соответственно микроскопа и телескопа.
Еще в Средневековье было известно, что с помощью искривлённого стекла можно изменять зрительное восприятие. Активным пропагандистом использования луп и линз был английский монах Роджер Бэкон[9], живший в XIII в. Примерно в то же время люди стали пользоваться очками для исправления дефектов зрения. Однако все эти примитивные оптические приборы не давали возможности увидеть что-то новое по сравнению с тем, что может видеть человек с нормальным зрением. Попытки усилить увеличивающее действие линз привели к изобретению так называемого составного микроскопа – прибора, состоящего из двух линз (объектива и окуляра), последовательно проходя через которые свет создаёт на чувствительной оболочке глаза увеличенное изображение рассматриваемого предмета. Это произошло в конце XVI или начале XVII в., но кто был первым изобретателем такого микроскопа, в точности неизвестно. Во всяком случае, в 1609 г. Галилей впервые продемонстрировал научному обществу сконструированный им прибор, который он назвал «оккиолино», что значит «маленький глаз». Возможно, это и был первый микроскоп, хотя позже находились и другие претенденты на это изобретение. Само же слово «микроскоп» было придумано другом Галилея Джованни Фабером по аналогии с уже существовавшим в то время телескопом.
Однако первые микроскопы не позволяли получать чёткое изображение из-за несовершенной шлифовки стёкол. Несмотря на это, Роберт Гук в 1664 г., исследуя срез пробки, открыл клетки. Подлинную революцию в развитии микроскопических исследований произвёл в 1674 г. голландец Антони ван Левенгук (рис. 95, А).
Рис. 95. Микроскопы: А – микроскоп Левенгука был крайне прост и представлял собой пластинку, в центре которой была линза; Б – современный световой микроскоп; В – электронный микроскоп
Работая сторожем в местной ратуше, он во время дежурства упражнялся в шлифовании линз и вскоре достиг такого совершенства, что, просто взглянув на каплю воды через отшлифованную им линзу при подходящем освещении, увидел совершенно новый мир. Это был мир никому не известных до тех пор живых организмов, которых Левенгук назвал «зверушками». За это открытие он был избран членом-корреспондентом Лондонского Королевского общества, хотя совершенно не разбирался ни в какой науке.
В дальнейшем усовершенствованная техника шлифовки линз позволила увеличить разрешающую способность составного микроскопа (рис. 95, Б). Этим термином обозначают способность микроскопа создавать чёткое раздельное изображение двух точек объекта. Проще говоря, это наименьшие размеры предмета, который можно различить в микроскопе. Всё, что мы видим вообще и в микроскопе в частности, является отражением света от рассматриваемого предмета. Но мы знаем, что свет представляет собой электромагнитную волну, которая обладает такими качествами, как частота и длина. Кроме того, такие волны, как и все остальные, обладают свойством дифракции, т. е. способностью огибать мелкие предметы. Из-за дифракции оказывается невозможным различить под микроскопом предметы, меньшие, чем половина длины волны отражённого света. Напомним, что длина волны электромагнитного излучения в видимой части спектра приблизительно составляет от 400 до 700 нм. Это значит, что традиционные оптические микроскопы, которые используют в качестве источника освещения видимый свет, могут позволить нам увидеть объекты, размеры которых не меньше этой величины (рис. 96). Поэтому максимальное увеличение, которого можно добиться с их помощью, не может быть больше, чем 2000.
Для того чтобы повысить разрешающую способность, требуется осветить рассматриваемый объект излучением, длина волны которого меньше, чем у видимого света.
Рис. 96. Глаз стрекозы, видимый при наблюдении невооруженным глазом (А) и под микроскопом (Б)
Рис. 97. Телескоп Галилея.
Таким излучением оказались электроны. В начале XX в. было обнаружено, что электрон можно рассматривать не только как частицу, но и как излучение, с длиной волны, находящейся в диапазоне рентгеновских лучей. А так как электроны, в отличие от света, имеют ещё и электрические заряды, их лучи можно сфокусировать с помощью магнитных линз. На основе этих представлений в 1931 г. началась разработка электронного микроскопа, позволяющего получать изображение объектов с увеличением до миллиона раз (рис. 95, В). В дальнейшем техника создания микроскопов постоянно совершенствовалась, и сейчас современные микроскопы позволяют увидеть даже отдельные атомы.
Исследование объектов, находящихся на больших расстояниях от Земли и принадлежащих к мегамиру, началось с изобретения телескопа (рис. 97). Телескопу предшествовала подзорная или, как её называли, зрительная труба, находившаяся в употреблении с начала XVII в. Однако она не получила большого распространения до того момента, как попала в руки Галилею. Он усовершенствовал это приспособление и впервые в 1609 г. догадался направить эту трубу на небо, превратив её тем самым в телескоп. Хотя прибор Галилея был достаточно примитивным, учёному удалось за несколько лет повысить его увеличивающую способность с трёх– до тридцатидвухкратной, что позволило ему сделать ряд важных открытий. Подробнее о последующих усовершенствованиях телескопа и проводимых с их помощью исследованиях будет рассказано в следующей главе. А сейчас мы продолжим знакомиться с устройством микромира.
Проверьте свои знания
1. Когда был изобретён микроскоп? Из каких линз он состоит?
2. Какие открытия были сделаны Р. Гуком и А. Левенгуком с помощью микроскопа и увеличительного стекла?
3. Что такое разрешающая способность микроскопа?
4. Каково максимальное увеличение, которое можно получить с помощью оптического микроскопа, и какой степени увеличения позволяли достичь первые электронные микроскопы?
Задания
1. Рассмотрите мелкие предметы с помощью лупы и микроскопа. Зарисуйте их изображение. Опишите полученные результаты.
2. При синем или красном освещении можно различить в световой микроскоп более мелкие объекты? Каковы их примерные размеры?
§ 38 Атомы: от Демокрита до Томсона
Быть может, эти электроны—
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Ещё, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь, в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
В. Брюсов
Как устроен материальный мир и из чего состоит вещество, волновало мыслящую часть человечества с глубокой древности. У античных мыслителей существовали различные точки зрения по этому вопросу. Главная проблема заключалась в том, состоит ли вещество из отдельных мельчайших частиц, чётко отграниченных друг от друга, или представляет собой непрерывное единство без разрывов на какие-либо составляющие его элементы. Первое свойство называется дискретностью материи, второе, противоположное ему, – непрерывностью.
В древнегреческой традиции преобладало представление о непрерывной материи, существование которой лежит в основе всего. Считалось, что она обладает двумя парами взаимно противоположных свойств: тепло – холод и влажность – сухость. Их различные сочетания, по мнению Аристотеля, образуют четыре основных элемента. Огонь представляет собой соединение тёплого и сухого, воздух – тёплого и влажного, вода – холодного и влажного, а земля – холодного и сухого. Из этих первоэлементов строятся все вещества, воспринимаемые человеческими ощущениями.
В то же время в Древней Греции существовали представители другой философской школы, которые назывались атомистами. Основателями этой школы были два философа: Левкипп и его ученик Демокрит (рис. 98).
Демокрит, живший во второй половине V и в первой половине IV в. до н. э., разработал философское учение, в основе которого лежит идея о существовании атомов. По мнению Демокрита, атомы представляют собой мельчайшие неделимые (атом по-гречески означает «неделимый») частицы, составляющие всю материю. Сами атомы никогда не подвергаются никаким изменениям, а все свойства реальной материи объясняются сочетаниями различных атомов.
Рис. 98. Демокрит
Между атомами находится пустота.
«Из ничего не возникает ничего, – говорит Демокрит, – ничто существующее не может быть уничтожено. Всякое изменение есть только соединение или разделение частей».
