Валерий Чолаков
Нобеловите награди (23) (Учени и открития (1901–1982))

Оптика и холография

Оптиката е един от най-старите раздели на физиката. Тя изучава светлината, нейното разпространение и взаимодействие с веществото и още от древността са останали текстове, в които известни философи изказват своите наблюдения и съображения по този въпрос. Съвременните представи за оптическите явления се зародиха едва през 17 век след изследванията на Нютон, Хук, Грималди и Хюйгенс.

Работите на старите изследователи съдържаха доста рационални елементи, но не бяха съвършени. Едва в началото на 19 век оптиката придоби по-строг вид. С убедителни експерименти Юнг и Френел доказаха вълновата природа на светлината. В своята знаменита теория за електромагнитното поле Максуел обедини светлината с електричеството и магнетизма, а към края на 19 век изследванията върху процесите на излъчване и поглъщане доведоха до представите за светлинния лъч като поток от частици с вълнови свойства.

През последните сто години редица изобретателни учени, използвайки свойствата на светлината, поставиха експерименти и създадоха апарати, с които обогатиха различни области на науката. На някои от тях това донесе Нобелова награда. Първият оптик Нобелов лауреат е Алберт Абрахам Майкелсън. Като типичен учен от 19 век, той смяташе, че във физиката почти всичко вече е открито и нови резултати могат да се постигнат само след шестия десетичен знак на измерванията.

Един от важните теоретични въпроси в науката по онова време бе проблемът за т.нар. етер (ефир). Физиците смятаха, че това е неподвижна среда, запълваща цялата Вселена, в която светлината се разпространява както звукът във въздуха. Според съществуващите тогава теории етерът трябваше да се проявява в някои феномени и затова се поставяха опити за доказване на неговото съществуване. Така например скоростта на светлината трябваше да зависи от движението на Земята по нейната орбита.

За да се поставят такива опити, бе необходима изключителна апаратура и голямо експериментаторско майсторство. И двете предпоставки бяха налице при Алберт Майкелсън. В 1881 г. той използва създадения от него интерферометър, за да реши въпроса за етера. Голяма бе изненадата на учените, когато разбраха, че уредът показва една и съща скорост за светлината във всички посоки. Болшинството физици бяха толкова привързани към своите теории, че предпочетоха да отхвърлят резултатите на Майкелсън. Единствено Хендрик Лоренц в Лайден и Джордж Фицджералд в Дъблин се опитаха да обяснят наблюденията, като предположиха, че при субсветлинни скорости телата се съкращават. В 1905 г. Айнщайн доказа, че съкращението на Лоренц–Фицджералд наистина съществува. Но тази идея, предложена от двамата учени, за да се спаси етерът, вече бе придобила друг смисъл в теорията на относителността.

Основа за тези теоретични дискусии бяха невероятно точните измервания на Алберт Майкелсън. В 1907 г. той бе удостоен с Нобелова награда за създаването на прецизни оптически инструменти и за изследвания в спектроскопията и метрологията.

През 30-те години на 19 век бе открита фотографията. Само за няколко десетилетия от сложен лабораторен процес, достъпен на малцина, тя се превърна в увлечение за милиони хора. Още преди сто години големите фирми вече бяха усъвършенствували всичко дотам, че за любителя-фотограф оставаше само да натиска спусъка на апарата. Само един въпрос не можеше да се реши — изображенията бяха черно-бели. Единственият известен способ за получаване на цветни снимки бе да се правят негативи в трите основни цвята и да се наслагват. Но този способ бе доста сложен и затова новината, че френският физик Габриел Липман в 1891 г. е създал метод за цветна фотография, предизвика голям интерес.

Липман поставяше фотоплаката в специална касета с живак, който дава абсолютно плоска огледална повърхност. Светлината, минавайки през емулсията, се отразява от огледалото и се връща обратно. При интерференцията между падащия и отразения лъч се образуват стоящи вълни и в резултат на това кристалчетата сребро в проявената емулсия се разполагат в слоеве. При разглеждане на такъв негатив светлината така се отразява от него, че изображението се вижда в истинските цветове.

Методът на Липман намери приложение в спектроскопията, но за практическата фотография се каза неудобен. Трудности предизвикваха касетата с живака и твърде голямото време за експонация. Идеята обаче бе твърде интересна и някои специалисти дори смятат, че Габриел Липман е бил много близо до откриването на холографията. За своите оригинални работи френският учен получи Нобеловата награда по физика за 1908 г.

През 1872 г. немският физик-оптик Ернст Карл Аббе създаде теорията на микроскопа. Това бе връх в развитието на този оптически инструмент, известен от началото на 17 век. Две столетия многобройни учени-експериментатори и майстори оптици създаваха най-различни конструкции, докато накрая Аббе, прилагайки вълновата оптика, изчисли възможностите и ограниченията на светлинния микроскоп. В 1888 г. той стана сътрудник на Карл Цайс в Йена и оттогава започна производството на висококачествени светлинни микроскопи от съвременен тип.

Единственото голямо нововъведение след работите на Аббе е въвеждането на принципа на фазовия контраст през 1935 г. от холандския физик Фредерик Зернике, професор в университета в Гронинген. Първоначално неговата работа беше свързана с изследване на качеството на оптическата повърхност на огледала за телескопи. В 1935 г. той стигна до идеята, че методът, създаден за тази цел, може да се приложи и в микроскопията.

В микроскопа на Зернике между обектива и окуляра се поставя т.нар. фазова пластинка, на която има пръстеновидна изпъкналост. Светлинните лъчи, които минават свободно през обекта, преминават и през фазовия пръстен, докато разсеяните от обекта лъчи се отклоняват встрани. Поради това, че там пластинката е по-тънка, се създава разлика във фазата на вълните между двата светлинни снопа. Накрая в окуляра става интерференция на лъчите и това значително повишава контраста на изображението. С други думи, тази пластинка превръща различията във фазата на вълната в разлики на амплитудата, т.е. яркостта.

Методът на фазовия контраст е изключително ценен за биологични изследвания. Обикновено живите клетки са почти прозрачни. Те трябва да се фиксират и оцветяват, за да се видят детайли. С фазово-контрастния микроскоп се забелязват голям брой подробности за структури, които иначе не личат или се променят при фиксиране. Фредерик Зернике, авторът на тази оригинална идея, получи за нея Нобеловата награда по физика през 1953 г.

В 1947 г. бе направено едно научно откритие, което първоначално изглеждаше като поредната проява на вълновите свойства на светлината, но впоследствие се оказа, че е много по-фундаментално и с широки приложения. В тази година бе създадена холографията.

Новината за това стана известна в 1948 г., когато английският физик от унгарски произход Денис Габор съобщи за открития от него нов метод за записване на изображения. Той го нарече холография, което означава цялостен запис. За разлика от фотографията, която фиксира само интензитета на светлината и създава плоско изображение от светли и тъмни петна, холографията регистрира вълновия фронт на светлинния лъч и възпроизвежда триизмерно изображение на предмета.

В 1964 г. Емет Лейт и Юрис Упатниекс направиха първите холограми с лазерна светлина. Те видоизмениха донякъде схемата на Габор и сега холограми се получават, като изходният светлинен лъч се разделя на две с полупрозрачно огледало. Част от светлината се отразява от обекта, а друга отива директно върху фотоплаката. Там светлинните лъчи се срещат и тъй като вече се различават, между тях настъпва интерференция, която се записва в светочувствителната емулсия. Това е холограмата. Върху нея с просто око се вижда плетеница от чертици, точици и други подобни. На пръв поглед холограмата изглежда като развален негатив, но всъщност тя има забележителни свойства.

Ако през холограмата премине първоначалният лъч, тя играе роля на дифракционна решетка и така го пречупва, че възстановява вълновия фронт на лъча, отразен от предмета, и това се вижда като триизмерно изображение. От друга страна, ако през холограмата се пропусне отразеният лъч, ще се възстанови първоначалният. Това се използва за холографско разпознаване на образи. Например, ако се направи холограма на една буква и се погледне през нея към написан текст, навсякъде, където се среща буквата, ще се видят светли точки.

Предполага се, че холографският принцип за записване и разпознаване на информация се използва в мозъка. Ако се раздели холограмата на части, всяка нейна част възстановява или разпознава изображението, макар и с понижено качество. Това наподобява някои поражения на мозъка, при които паметта не се губи, а само се влошава.

Габор имаше големи трудности с получаването на първите холограми, тъй като за тях са необходими много специални източници на светлина. Появата на лазерите даде на холографията втори живот. От един лабораторен куриоз тя се превърна в метод, който се използва все по-широко в науката, практиката и дори изкуството. За Денис Габор това означаваше идването на признанието, макар и малко късно. Освен че стана член на Лондонското кралско дружество и почетен член на Унгарската академия на науките, в 1971 г., 23 години след публикуването на първите си работи, той получи и Нобеловата награда по физика.