Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Денис Габор, член Королевского общества Великобритании, обладатель многих научных степеней и званий, родился в Будапеште, где после школы приступил к изучению электротехники. Закончил специальное образование в Берлине и в 1927 году получил диплом доктора-инженера за работу «Запись переходных процессов в электрических цепях при помощи катодного осциллографа». В этой работе он первым применил для записи переходных процессов магнитную линзу с железным сердечником и бистабильную электронную схему. И то и другое сейчас широко применяется и в специальных устройствах, включая вычислительные машины, и в большинстве телевизоров.
Габор многие годы работал в Берлине, исследуя электрический разряд в газах, в том числе и то, что теперь называется плазмой. В ходе этих работ он изобрел способ соединять металл со стеклом, применяя тонкие ленточки из молибдена.
Вскоре после захвата власти фашистами Габор покидает Берлин и переселяется в Англию. Здесь он изобретает катодную трубку с памятью, широко применяемую и во многих вычислительных машинах, и в радиолокаторах. Здесь в результате длительной работы он изобрел новый способ получения изображений.
В то время Габор считал важнейшей задачей усовершенствование электронного микроскопа. Электронный микроскоп отличается от обычного не принципом действия, а лишь тем, что в нем изображение образуется не световыми волнами, а электронами, попадающими на фотографическую эмульсию после того, — как они прошли через исследуемый объект. В том месте эмульсии, куда попал электрон, после проявления возникает почернение. Там, куда попало больше электронов, почернение оказывается более интенсивным.
Линзы, используемые в электронном микроскопе, конечно, отличаются от оптических линз. Это магнитные или электрические линзы, обмотки или электроды которых создают соответственно магнитные или электрические поля, искривляющие траектории полета электронов, подобно тому как оптические линзы искривляют световые лучи. Несмотря на существенное физическое различие этих линз, результаты их действия оказываются весьма близкими.
Электронный микроскоп, как и оптический, формирует в плоскости, в которой расположена фотоэмульсия, резкое и четкое изображение только от малой части исследуемого объекта. Резкие изображения остальных частей могут быть получены соответствующим перемещением эмульсии или изменением тока через магнитные линзы или напряжения на электрических линзах. Одновременно получить на эмульсии резкое изображение всей толщи объекта невозможно. Не сфокусированные части объекта дают на снимке фон, лишь ухудшающий качество изображения и не дающий никакой дополнительной информации об объекте.
Габор вновь и вновь возвращается к мысли о том, что поток электронов, прошедших сквозь объект, несет в себе полную информацию о всех взаимодействиях, испытанных электронами в толще объекта. И в нем крепло стремление найти путь к использованию такой информации. Он ясно понимал, что успех, достигнутый при решении этой специальной задачи, будет иметь гораздо более широкое значение. Ведь и свет, падающий на объектив фотоаппарата или на зрачок глаза, содержит обширную информацию о всех предметах, от которых исходит свет. Но ни глаз, ни фотоаппарат, ни электронный микроскоп не могут одновременно образовать резкого изображения всех деталей независимо от их местоположения. Такова природа образования изображения при помощи линз. Линзы отображают на плоскости только плоские объекты, расположенные в определенных «сопряженных» плоскостях. Почернение фотоэмульсии пропорционально интенсивности воздействующих потоков фотонов или электронов. В результате фотоэмульсия фиксирует лишь ничтожную часть информации, переносимой светом или электронами.
Габор первым противопоставил скудость фотоизображения богатству информации, содержащейся в световом или электронном потоке. Он же указал путь преодоления этого разрыва.
Удача Габора
Путь, предложенный Габором, и сейчас кажется парадоксальным. Он состоял из нескольких скачков.
Первый — отказ от применения линз, ибо, формируя изображение одной плоскости объекта, линзы приводят к потере информации об остальной, причем большей, его части.
Второй — фиксирование на фотоэмульсии не изображения объекта, а по возможности всей информации о нем, переносимой пучком электронов или лучами света.
Третий — использование записанной информации для того, чтобы впоследствии создавать пучки света, несущие в себе всю эту информацию.
И четвертый — формирование при помощи этих пучков света изображения того объекта, информация о котором была зафиксирована в первой стадии процесса.
Габор подчеркивал, что радикальное отличие нового метода от обычной фотографии, которая записывает на фотоэмульсии изображение предмета в один прием, состоит в том, что процесс получения изображения разбит на два этапа, происходящих в различные моменты и совершенно независимо. Сперва на фотоэмульсию записывается информация об объекте, содержащаяся в потоке света или электронов, взаимодействующих с объектом. После проявления записанная информация может храниться сколь угодно долго, и, когда нужно, можно приступить ко второму этапу — воссозданию изображения на основе этой информации. Габор назвал свой метод голографией, прибегнув, как обычно, к греческому языку. «Голограмма» означает «полная запись». Воссоздание изображения при помощи голограммы он назвал «реконструкцией».
Рассматривая голограмму невооруженным глазом или даже под микроскопом, на ней невозможно обнаружить никакого изображения объекта. Невооруженному глазу пластинка представляется просто испорченной. Под микроскопом на ней можно увидеть хаотическое скопление мельчайших пятнышек, образующих кое-где узоры, напоминающие рябь, поднимаемую порывистым ветром на поверхности тихого пруда.
Всякому, имеющему хоть малейший опыт в фотографии, ясно, что получить такую запись, попросту поместив фотоэмульсию на пути потока электронов или света, взаимодействовавших с объектом, нельзя. Фотоэмульсия, реагирующая лишь на интенсивность потока, сама по себе способна зафиксировать только ничтожно малую часть информации, заключенной в этом потоке. Наивная попытка такого рода неизбежно приведет к порче пластинки. Она будет засвечена, скажет фотолюбитель.
Для того чтобы записанная информация оказалась более полной, необходимо принять особые меры. Заслуга Габора определяется тем, что он не только понял слабость известных методов, но предложил новый и нашел путь его реализации.
Габор первоначально имел дело с электронным микроскопом. Но его идеи весьма универсальны и применимы ко всем случаям, когда информация о каком-либо объекте переносится волнами. Это могут быть и звуковые волны. Электронный микроскоп лишь частный случай. Для его действия существенно, что электроны подчиняются волновым закономерностям. Волновые свойства электронов доминируют в электронном микроскопе в такой же мере, как их корпускулярные свойства играют основную роль в работе радиоламп и фотоэлементов.
Готовясь к докладу на семинаре, Виктор внимательно изучил те статьи Габора, которые ему удалось найти.
Его, как и Денисюка, захватили работы Габора, заинтересовала сама личность ученого. Их обоих удивили и разносторонность интересов Габора, и широта подхода к казалось бы локальным проблемам. Он показался обоим личностью обаятельной и несколько даже загадочной. Даже биография шестидесятилетнего ученого была необычной и удивляла непоследовательной щедростью и расточительностью научных идей. И Денисюк и Виктор много думали о нем, гадали о его научных перспективах. Доклад получился общим.
Для того чтобы рассказать товарищам, как волновая сущность электронов проявляется в электронном микроскопе, и передать всю глубину идей Габора, Виктор смог обойтись без помощи квантовой физики и даже без ссылок на ранний вариант квантовой механики — волновую теорию де Бройля.
— Достаточно лишь принять, — сказал он в предисловии, — как опытный факт, что все то, что при работе оптического микроскопа является результатом действия световых волн, наблюдается и в электронном микроскопе. Все, за исключением масштаба. Ибо длина волн видимого света лежит в пределах от 0,4 до 0,8 микрона, в то время как волны, связанные с электронами, много короче.
Шутки русалки
Свой рассказ Виктор начал не со света, а с волн, бегущих по поверхности воды после падения камня. Он призвал на помощь маленьких гномиков, живущих на берегу пруда и неспособных видеть, что происходит в его середине.
— Если они будут, — говорил Виктор, — в безветренную погоду наблюдать за волнами, приходящими к берегу, они смогут узнать многое. Например, если волны имеют форму кусков окружности, значит они вышли из какого-то центра. Определив, как идут касательные в двух точках этой волны, гномы легко выяснят не только расстояние до точки, из которой вышла волна, но и ее точное положение на поверхности пруда.
