5. Открытия в области оптики
В древности оптикой называлась наука о зрении. Тогда предполагалось, что из глаз человека исходят некие невидимые лучи, которые ощупывают предметы и тем самым сообщают людям информацию об окружающем мире. Впоследствии оптика тесно сотрудничала с геометрией, архитектурой и живописью, а также другими науками и искусствами, в которых рассматривалось движение лучей и зрительное восприятие человека. Однако со временем позиция ученых переменилась, после того как им удалось доказать, что свет не зависит от зрения, а наоборот — зрение существует благодаря свету. Законы лучей были пересмотрены, и оптика получила второе рождение, став физикой света.
Преломление и отражение света
Первым оптическим приспособлением следует считать отражатель, построенный древнегреческим механиком Архимедом из боевых щитов. С помощью такого отражателя ученый, как гласит легенда, сфокусировал солнечные лучи и поджег ими римские корабли, осаждавшие его родной город Сиракузы. Сегодня ученые ставят под сомнение справедливость легенды. Скорее всего, она описывает событие, которое никогда не имело места в действительности. Однако подлинная, лишенная прикрас история оптики ничуть не уменьшает достоинств этой науки. В первую очередь это касается т. н. геометрической оптики, которая позволила создать технику, открывшую перед человеком новые миры — бесконечный космос и микромир.
Человек открывает законы светового луча
Некоторые ученые убеждены, что приблизились к разгадке таинственных появлений в старинных замках привидений. Причиной необъяснимого возникновения призраков является устойчивое расслоение воздуха внутри обширных помещений такого рода зданий. Феодальные замки, как известно, невероятно холодны. Их комнаты, слишком высокие и просторные, располагаются таким образом, что неспособны аккумулировать тепло. Воздух внутри помещений замка холоден и тяжел. Камины, однако, давали мощные потоки легкого теплого воздуха. Он не перемешивался с холодным, т. к. система внутренних помещений замка не была на это рассчитана.
Легкий воздух вытеснялся холодным вверх и скапливался у потолка. Постепенно в комнатах с каминами возникали большие скопления легкого воздуха поверх тяжелого. Происходило сложное вертикальное расслоение воздушных масс, чему способствовали высокие потолки. Так как плотность этих слоев была различна, то получалась настоящая воздушная линза, обладающая за счет своей многослойности еще и зеркальными свойствами.
Такие линзы отлично отражали свет, попутно искажая его. Достаточно было войти в комнату со свечой, как под потолком возникало размытое отражение ее тусклого света. Появлялось дрожащее призрачное видение. Возможно, кому-то такое объяснение покажется надуманным и далеким от действительности. Что ж, проверить справедливость этой интересной гипотезы можно только опытным путем. Однако сама природа почти каждый день ставит сходные опыты и охотно демонстрирует их людям.
Речь идет о миражах, в естественном происхождении которых ни у кого не возникает сомнений. Миражи обычны в пустынях, поскольку там земля за день чрезвычайно раскаляется и сильно нагревает прилегающий к ней слой воздуха. Периодически этот легкий слой отрывается и вытесняется вверх более тяжелым холодным. Но это происходит довольно медленно, отчего над пустынями выстраивается целый ряд слоев разной плотности, а приземной воздух обычно оказывается менее плотным.
В таком толстом зеркале возникают самые причудливые изображения. Как бы то ни было, чаще всего люди видят в пустыне обширные озера с чистейшей пресной водой. Эта иллюзия подкрепляется изнуряющим ощущением жажды. Появление озер неизбежно, потому что над сухими песчаными морями раскинулось знойное голубое небо. Оно чаще всего и отражается в воздушных зеркалах. Отраженную небесную синеву люди принимают за далекое озеро. Миражи в пустынях погубили немало путешественников, доверчиво поддавшихся обману.
Возникновение миражей и прочие оптические явления, наблюдаемые людьми в природе, тесным образом связаны с физикой лучей света. Световой луч является в известной степени абстрактным понятием, служащим для обозначения направления потока лучистой энергии. Это геометрическая линия, возможно, самая идеальная прямая в природе. Еще древние греки это прекрасно поняли. Они же первыми догадались, что в воздухе свет распространяется прямолинейно, причем лучи идут параллельно друг другу.
Древнегреческий геометр Евклид первым дал четкую формулировку закону прямолинейного распространения света. Евклид утверждал, что световые лучи, не пересекаясь, движутся по кратчайшему пути, т. е. по самому короткому расстоянию между двумя точками — прямой линии. Этот же ученый впервые сформулировал закон отражения света: угол падения световых лучей равен углу отражения.
Оба закона, как ни странно, были выведены задолго до Евклида эмпирически, из опыта. Опираясь на эти законы, геометр дал научное объяснение многим оптическим явлениям. Последовательно применяя методы геометрии при восстановлении пути лучей, Евклид заложил основы т. н. геометрической оптики, просуществовавшей почти без изменений вплоть до XVII в. Ключевое положение данной науки — о прямолинейном ходе лучей — верно лишь отчасти.
На самом деле луч не распространяется прямолинейно ни в одной среде, даже в вакууме. Дело в том, что в космосе на луч влияют силы гравитации, которые отклоняют его от прямой. Впрочем, согласно теории относительности, именно так и должна выглядеть кривая, помещенная в гравитационное поле. Луна вокруг Земли тоже движется по прямой линии — прямой для гравитационного поля. Иного ожидать от гравитации не приходится, поскольку она меняет геометрические свойства пространства.
Что касается воздуха, то здесь все гораздо проще. В небольшом объеме воздух прозрачен, отчего световые лучи распространяются в нем прямолинейно. Однако атмосфера в целом весьма неоднородна. В одном из разделов второй главы, посвященном давлению воздуха, было подробно рассказано об областях разной плотности в пределах атмосферы. Таким образом, воздушная оболочка планеты многослойна и к тому же постоянно содержит в себе воздушные линзы разной плотности. Оптические свойства атмосферы меняются от места к месту, что и приводит к образованию воздушных «зеркал», порождающих миражи и гало.
Особое значение для развития оптики имело открытие закона преломления света, которое происходило постепенно, поскольку он не был столь очевиден, как законы прямолинейного движения световых лучей и отражения. Александрийский геометр и астроном Птолемей во II в. до н. э. изобрел диск для измерения угла преломления световых лучей, проходящих из воздуха в воду. Однако установить на основании своих замеров закона преломления Птолемей не сумел.
Дальнейшие достижения оптики связаны с именем немецкого астронома И. Кеплера. Он попытался сформулировать закон преломления и построил теорию движения световых лучей в оптическом приборе. Кеплер в 1604 г. провозгласил, что каждой точке предмета соответствует только одна точка изображения, которое попадает в глаз наблюдателя. Опираясь на этот принцип, ученый геометрически восстановил ход световых лучей в разных оптических приборах.
Причем под последними ученый понимал и хрусталик глаза, и линзу, и систему линз, и зеркало. Когда законы построения изображения в оптических приборах были в целом сформулированы, Кеплер разбирает работу зрительных трубок, в частности телескопов. К этим исследованиям он приступает в 1611 г., уже после того, как Галилей провел свои наблюдения.
Однако предложенный Кеплером телескоп, получивший название трубы Кеплера, оказался гораздо удачнее галилеевой трубы. Попутно немецкий ученый ввел в науку термины «фокус» и «оптическая ось». Отталкиваясь от выводов Кеплера, Снеллиус и Декарт в 1630-х гг. уточнили закон преломления света, завершив тем самым становление науки.
Благодаря трудам Кеплера были объединены и сформулированы более четко известные прежде законы света, открыты новые законы, создан фундамент для дальнейшего развития оптической науки. Причем теперь оптика развивалась сразу в нескольких направлениях. Прежнее изучение методами геометрии было дополнено экспериментальными исследованиями при помощи линз, зеркал и прочих оптических приборов. А также внутри оптики зародилось прикладное направление, занятое проектированием и расчетом наблюдательных устройств с системой стекол — телескопов и микроскопов.
Изобретение микроскопа и телескопа
Первым оптическим прибором был, как ни странно, микроскоп. Его сконструировал в 1590 г. голландский изобретатель З. Янсен. К сожалению, про это открытие надолго забыли. Гораздо больший интерес вызвала оптическая (зрительная) труба. Ее пытался создать еще Л. да Винчи в начале XVI в., но об этих попытках сведений не сохранилось. Поэтому создателем подзорной трубы считается Г. Липперсгейм, который в 1608 г. впервые применил линзы в «волшебной трубке» для наблюдения за удаленными объектами. Это изобретение не прошло незамеченным, оно обратило на себя внимание великого итальянского физика и астронома Г. Галилея.
Уже в следующем году Галилей собирает собственную, усовершенствованную зрительную трубу и в августе 1609 г. демонстрирует устройство главе Венецианской республики — венецианскому дожу, чтобы заручиться его поддержкой в своих научных изысканиях. Дож счел изобретение полезным для военно-морского флота, а потому дал согласие на дальнейшие работы. Галилей же направляет свою трубку на небо и совершает массу астрономических открытий.
Поразительные открытия позволяют ученому утверждать, что Земля является рядовой планетой Солнечной системы. Свое творение Галилей именовал по-латыни просто «окуляром». Лишь спустя какое-то время после опубликования Галилеем результатов наблюдений с помощью «окуляра» в «Звездном вестнике» (1610 г.) на свет появилось современное название прибора. Филолог Демесиани нарек зрительную трубу для астрономических исследований телескопом, что в переводе с греческого означает «смотрю в даль».
Этот первый телескоп был рефрактором, т. е. в переводе с латыни «преломляющим», поскольку его оптическая система состояла из преломляющих световые лучи линз. Выпуклая линза объектива имела диаметр 53 мм и давала 30-кратное увеличение, что на порядок превосходит мощность всех зрительных труб той эпохи. Длина трубы насчитывала 124,5 см. С тех пор конструкция телескопов непрерывно совершенствовалась.
Основатель современной геометрической оптики, немецкий астроном и математик И. Кеплер усовершенствовал окуляр. Ученый избрал для отверстия окуляра двояковыпуклую линзу, и это в дальнейшем позволило применять телескопическую технику не только и не столько для наблюдений, сколько для измерений. Первый телескоп-рефлектор (дословно «отражатель») с зеркальцем в качестве собирающего свет устройства построил в XVI в. И. Ньютон.
Что касается микроскопа, то его новым создателем был опять-таки Галилей. Ученый перевернул свою зрительную трубу, а точнее, изменил конструкцию, приспособив ее для наблюдения за малыми объектами. Галилей с увлечением описывал открывшийся ему при увеличении облик мух, блох и прочих насекомых. Но и на сей раз микроскоп никого не заинтересовал, поскольку уровень биологической науки был недостаточно высок, чтобы у ученых-естественников возникла потребность в применении техники. Натуралисты в то время вообще не могли предположить, что же можно изучать в живой природе посредством физических приборов.
Но проходит немногим более полвека, и ситуация в корне меняется. Английский оптик P. Гук усовершенствовал трехлинзовый микроскоп и с его помощью открыл в 1665 г. существование клеток. В 1675 г. голландский естествоиспытатель А. Левенгук собственными силами создает это замечательное устройство и открывает инфузорию. Впоследствии Левенгук обнаружил немало других занятных «зверьков» (аниманкулов) — разнообразных бактерий. Кроме того, биолог открыл эритроциты (красные кровяные тельца) и сперматозоиды.
Ученый занимался усовершенствованием микроскопов и всего изготовил порядка 400 моделей. Его творение стало общепризнанным символом биологической науки. Современные оптические микроскопы, применяемые в медицине, микробиологии и прочих биологических науках, являются гораздо более сложными устройствами, обладающими значительным увеличением. Их оптическая система, тем не менее, по-прежнему состоит из окуляра и объектива. Зрительная трубка, несущая в себе линзы, называется тубусом. Тубус крепится на тубусодержателе, устройство которого допускает вертикальные движения тубуса для достижения фокусировки.
Дальнейшая судьба оптических изобретений удивительна. Самым примечательным событием за всю историю конструирования телескопов следует назвать необычную технологическую конкуренцию между рефлекторами и рефракторами, затянувшуюся вплоть до XX в. Когда в начале XVIII столетия и компактные, и огромные универсальные рефлекторы, казалось бы, полностью потеснили рефракторные телескопы, вскрылись многочисленные недостатки зеркал. Зеркала тускнеют, их изготовление очень дорого, кроме того, стекла часто ломаются под тяжестью собственного веса.
В начале второй половины XVIII в., после получения в 1758 г. новых сортов стекол, в астрономии наступил период двухлинзовых объективов. Первый из них, т. н. объектив-ахромат, был построен англичанином Дж. Доллондом, отчего многие модели объективов этого типа получили название доллондовых труб. По прошествии некоторого времени рефрактор был усовершенствован немецким астрономом Й. Фраунгофером.
Фраунгоферовские телескопы в XIX в. становятся главным инструментом астрономов. И только со второй половины XIX в. зеркальные телескопы вновь занимают прежние позиции. Полностью они не вытеснили рефракторы и по сей день, однако являются наиболее значимыми инструментами ученых. Зеркальные системы в наше время главенствуют в науке. Учеными строятся рефлекторы со все большим размером зеркала.
Самое большое цельное зеркало установлено на телескопе Зеленчукской обсерватории в Ставрополье. Его диаметр составляет 6 м. Гораздо крупнее сборные большие зеркала, составляемые из маленьких. Два телескопа Кека, установленные на Гавайях, представляют собой спаренную оптическую систему и имеют общее на двоих зеркало диаметром 85 м. Истинные размеры зеркал в этой системе составляют всего 1,8 м. Малые зеркала числом 36 объединяются в одно 10-метровое зеркало, установленное на одном телескопе. На втором установлено точно такое же. Расстояние между телескопами равно 85 м. Компьютер объединяет оба телескопа в один с гигантской, 85-метровой базой.
Сегодня телескопом называют практически любое устройство, предназначенное для приема волновой энергии всех видов из мирового пространства. Если рефлекторы и рефракторы принимают исключительно волны видимого света, то есть телескопы, которые способны принимать ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские и радиоволны, а также гамма-лучи. Таким образом, астрономы изучают космос по поступающему из него излучению с любой частотой из всего диапазона.
Естественно, ультрафиолетовые телескопы или радиотелескопы имеют мало общего в техническом плане с оптическими системами. Однако удобное название прочно закрепилось за устройствами для наблюдения за космическими телами и процессами. Ультрафиолетовые телескопы предназначены главным образом для изучения поверхности Солнца, поскольку оно испускает много ультрафиолета.
Инфракрасное излучение несет информацию о тепловом режиме на планетах. Оно свободно проходит сквозь планетные атмосферы и представляет собой поток энергии от неодинаково нагретых участков космического тела. Инфракрасные лучи позволяют более результативно изучать колоссальные газовые скопления в мировом пространстве, строение далеких звезд и т. д. Рентгеновские лучи особо информативны при изучении рентгеновских пульсаров и прочих источников этого излучения, гамма-лучи позволяют наблюдать уникальные внегалактические гамма-источники, а радиоволны одинаково хороши для исследования почти всех космических объектов.
Нужно заметить, что эта упрощенная схема возможностей всеволновой астрономии показывает лишь одно: какие виды волн (излучения) особо информативны и полезны при исследовании тех или иных объектов. В действительности же астрономы никогда не изучают какой-нибудь объект исключительно одним типом волн. Почти каждое небесное тело рассматривается и в радиоволнах, и в ультрафиолетовом диапазоне, и в инфракрасном диапазоне, и в «рентгене», а иногда даже в гамма-лучах.
Первым оптическим приспособлением следует считать отражатель, построенный древнегреческим механиком Архимедом из боевых щитов. С помощью такого отражателя ученый, как гласит легенда, сфокусировал солнечные лучи и поджег ими римские корабли, осаждавшие его родной город Сиракузы. Сегодня ученые ставят под сомнение справедливость легенды. Скорее всего, она описывает событие, которое никогда не имело места в действительности. Однако подлинная, лишенная прикрас история оптики ничуть не уменьшает достоинств этой науки. В первую очередь это касается т. н. геометрической оптики, которая позволила создать технику, открывшую перед человеком новые миры — бесконечный космос и микромир.
Человек открывает законы светового луча
Некоторые ученые убеждены, что приблизились к разгадке таинственных появлений в старинных замках привидений. Причиной необъяснимого возникновения призраков является устойчивое расслоение воздуха внутри обширных помещений такого рода зданий. Феодальные замки, как известно, невероятно холодны. Их комнаты, слишком высокие и просторные, располагаются таким образом, что неспособны аккумулировать тепло. Воздух внутри помещений замка холоден и тяжел. Камины, однако, давали мощные потоки легкого теплого воздуха. Он не перемешивался с холодным, т. к. система внутренних помещений замка не была на это рассчитана.
Легкий воздух вытеснялся холодным вверх и скапливался у потолка. Постепенно в комнатах с каминами возникали большие скопления легкого воздуха поверх тяжелого. Происходило сложное вертикальное расслоение воздушных масс, чему способствовали высокие потолки. Так как плотность этих слоев была различна, то получалась настоящая воздушная линза, обладающая за счет своей многослойности еще и зеркальными свойствами.
Такие линзы отлично отражали свет, попутно искажая его. Достаточно было войти в комнату со свечой, как под потолком возникало размытое отражение ее тусклого света. Появлялось дрожащее призрачное видение. Возможно, кому-то такое объяснение покажется надуманным и далеким от действительности. Что ж, проверить справедливость этой интересной гипотезы можно только опытным путем. Однако сама природа почти каждый день ставит сходные опыты и охотно демонстрирует их людям.
Речь идет о миражах, в естественном происхождении которых ни у кого не возникает сомнений. Миражи обычны в пустынях, поскольку там земля за день чрезвычайно раскаляется и сильно нагревает прилегающий к ней слой воздуха. Периодически этот легкий слой отрывается и вытесняется вверх более тяжелым холодным. Но это происходит довольно медленно, отчего над пустынями выстраивается целый ряд слоев разной плотности, а приземной воздух обычно оказывается менее плотным.
В таком толстом зеркале возникают самые причудливые изображения. Как бы то ни было, чаще всего люди видят в пустыне обширные озера с чистейшей пресной водой. Эта иллюзия подкрепляется изнуряющим ощущением жажды. Появление озер неизбежно, потому что над сухими песчаными морями раскинулось знойное голубое небо. Оно чаще всего и отражается в воздушных зеркалах. Отраженную небесную синеву люди принимают за далекое озеро. Миражи в пустынях погубили немало путешественников, доверчиво поддавшихся обману.
Возникновение миражей и прочие оптические явления, наблюдаемые людьми в природе, тесным образом связаны с физикой лучей света. Световой луч является в известной степени абстрактным понятием, служащим для обозначения направления потока лучистой энергии. Это геометрическая линия, возможно, самая идеальная прямая в природе. Еще древние греки это прекрасно поняли. Они же первыми догадались, что в воздухе свет распространяется прямолинейно, причем лучи идут параллельно друг другу.
Древнегреческий геометр Евклид первым дал четкую формулировку закону прямолинейного распространения света. Евклид утверждал, что световые лучи, не пересекаясь, движутся по кратчайшему пути, т. е. по самому короткому расстоянию между двумя точками — прямой линии. Этот же ученый впервые сформулировал закон отражения света: угол падения световых лучей равен углу отражения.
Оба закона, как ни странно, были выведены задолго до Евклида эмпирически, из опыта. Опираясь на эти законы, геометр дал научное объяснение многим оптическим явлениям. Последовательно применяя методы геометрии при восстановлении пути лучей, Евклид заложил основы т. н. геометрической оптики, просуществовавшей почти без изменений вплоть до XVII в. Ключевое положение данной науки — о прямолинейном ходе лучей — верно лишь отчасти.
На самом деле луч не распространяется прямолинейно ни в одной среде, даже в вакууме. Дело в том, что в космосе на луч влияют силы гравитации, которые отклоняют его от прямой. Впрочем, согласно теории относительности, именно так и должна выглядеть кривая, помещенная в гравитационное поле. Луна вокруг Земли тоже движется по прямой линии — прямой для гравитационного поля. Иного ожидать от гравитации не приходится, поскольку она меняет геометрические свойства пространства.
Что касается воздуха, то здесь все гораздо проще. В небольшом объеме воздух прозрачен, отчего световые лучи распространяются в нем прямолинейно. Однако атмосфера в целом весьма неоднородна. В одном из разделов второй главы, посвященном давлению воздуха, было подробно рассказано об областях разной плотности в пределах атмосферы. Таким образом, воздушная оболочка планеты многослойна и к тому же постоянно содержит в себе воздушные линзы разной плотности. Оптические свойства атмосферы меняются от места к месту, что и приводит к образованию воздушных «зеркал», порождающих миражи и гало.
Особое значение для развития оптики имело открытие закона преломления света, которое происходило постепенно, поскольку он не был столь очевиден, как законы прямолинейного движения световых лучей и отражения. Александрийский геометр и астроном Птолемей во II в. до н. э. изобрел диск для измерения угла преломления световых лучей, проходящих из воздуха в воду. Однако установить на основании своих замеров закона преломления Птолемей не сумел.
Дальнейшие достижения оптики связаны с именем немецкого астронома И. Кеплера. Он попытался сформулировать закон преломления и построил теорию движения световых лучей в оптическом приборе. Кеплер в 1604 г. провозгласил, что каждой точке предмета соответствует только одна точка изображения, которое попадает в глаз наблюдателя. Опираясь на этот принцип, ученый геометрически восстановил ход световых лучей в разных оптических приборах.
Причем под последними ученый понимал и хрусталик глаза, и линзу, и систему линз, и зеркало. Когда законы построения изображения в оптических приборах были в целом сформулированы, Кеплер разбирает работу зрительных трубок, в частности телескопов. К этим исследованиям он приступает в 1611 г., уже после того, как Галилей провел свои наблюдения.
Однако предложенный Кеплером телескоп, получивший название трубы Кеплера, оказался гораздо удачнее галилеевой трубы. Попутно немецкий ученый ввел в науку термины «фокус» и «оптическая ось». Отталкиваясь от выводов Кеплера, Снеллиус и Декарт в 1630-х гг. уточнили закон преломления света, завершив тем самым становление науки.
Благодаря трудам Кеплера были объединены и сформулированы более четко известные прежде законы света, открыты новые законы, создан фундамент для дальнейшего развития оптической науки. Причем теперь оптика развивалась сразу в нескольких направлениях. Прежнее изучение методами геометрии было дополнено экспериментальными исследованиями при помощи линз, зеркал и прочих оптических приборов. А также внутри оптики зародилось прикладное направление, занятое проектированием и расчетом наблюдательных устройств с системой стекол — телескопов и микроскопов.
Изобретение микроскопа и телескопа
Первым оптическим прибором был, как ни странно, микроскоп. Его сконструировал в 1590 г. голландский изобретатель З. Янсен. К сожалению, про это открытие надолго забыли. Гораздо больший интерес вызвала оптическая (зрительная) труба. Ее пытался создать еще Л. да Винчи в начале XVI в., но об этих попытках сведений не сохранилось. Поэтому создателем подзорной трубы считается Г. Липперсгейм, который в 1608 г. впервые применил линзы в «волшебной трубке» для наблюдения за удаленными объектами. Это изобретение не прошло незамеченным, оно обратило на себя внимание великого итальянского физика и астронома Г. Галилея.
Уже в следующем году Галилей собирает собственную, усовершенствованную зрительную трубу и в августе 1609 г. демонстрирует устройство главе Венецианской республики — венецианскому дожу, чтобы заручиться его поддержкой в своих научных изысканиях. Дож счел изобретение полезным для военно-морского флота, а потому дал согласие на дальнейшие работы. Галилей же направляет свою трубку на небо и совершает массу астрономических открытий.
Поразительные открытия позволяют ученому утверждать, что Земля является рядовой планетой Солнечной системы. Свое творение Галилей именовал по-латыни просто «окуляром». Лишь спустя какое-то время после опубликования Галилеем результатов наблюдений с помощью «окуляра» в «Звездном вестнике» (1610 г.) на свет появилось современное название прибора. Филолог Демесиани нарек зрительную трубу для астрономических исследований телескопом, что в переводе с греческого означает «смотрю в даль».
Этот первый телескоп был рефрактором, т. е. в переводе с латыни «преломляющим», поскольку его оптическая система состояла из преломляющих световые лучи линз. Выпуклая линза объектива имела диаметр 53 мм и давала 30-кратное увеличение, что на порядок превосходит мощность всех зрительных труб той эпохи. Длина трубы насчитывала 124,5 см. С тех пор конструкция телескопов непрерывно совершенствовалась.
Основатель современной геометрической оптики, немецкий астроном и математик И. Кеплер усовершенствовал окуляр. Ученый избрал для отверстия окуляра двояковыпуклую линзу, и это в дальнейшем позволило применять телескопическую технику не только и не столько для наблюдений, сколько для измерений. Первый телескоп-рефлектор (дословно «отражатель») с зеркальцем в качестве собирающего свет устройства построил в XVI в. И. Ньютон.
Что касается микроскопа, то его новым создателем был опять-таки Галилей. Ученый перевернул свою зрительную трубу, а точнее, изменил конструкцию, приспособив ее для наблюдения за малыми объектами. Галилей с увлечением описывал открывшийся ему при увеличении облик мух, блох и прочих насекомых. Но и на сей раз микроскоп никого не заинтересовал, поскольку уровень биологической науки был недостаточно высок, чтобы у ученых-естественников возникла потребность в применении техники. Натуралисты в то время вообще не могли предположить, что же можно изучать в живой природе посредством физических приборов.
Но проходит немногим более полвека, и ситуация в корне меняется. Английский оптик P. Гук усовершенствовал трехлинзовый микроскоп и с его помощью открыл в 1665 г. существование клеток. В 1675 г. голландский естествоиспытатель А. Левенгук собственными силами создает это замечательное устройство и открывает инфузорию. Впоследствии Левенгук обнаружил немало других занятных «зверьков» (аниманкулов) — разнообразных бактерий. Кроме того, биолог открыл эритроциты (красные кровяные тельца) и сперматозоиды.
Ученый занимался усовершенствованием микроскопов и всего изготовил порядка 400 моделей. Его творение стало общепризнанным символом биологической науки. Современные оптические микроскопы, применяемые в медицине, микробиологии и прочих биологических науках, являются гораздо более сложными устройствами, обладающими значительным увеличением. Их оптическая система, тем не менее, по-прежнему состоит из окуляра и объектива. Зрительная трубка, несущая в себе линзы, называется тубусом. Тубус крепится на тубусодержателе, устройство которого допускает вертикальные движения тубуса для достижения фокусировки.
Дальнейшая судьба оптических изобретений удивительна. Самым примечательным событием за всю историю конструирования телескопов следует назвать необычную технологическую конкуренцию между рефлекторами и рефракторами, затянувшуюся вплоть до XX в. Когда в начале XVIII столетия и компактные, и огромные универсальные рефлекторы, казалось бы, полностью потеснили рефракторные телескопы, вскрылись многочисленные недостатки зеркал. Зеркала тускнеют, их изготовление очень дорого, кроме того, стекла часто ломаются под тяжестью собственного веса.
В начале второй половины XVIII в., после получения в 1758 г. новых сортов стекол, в астрономии наступил период двухлинзовых объективов. Первый из них, т. н. объектив-ахромат, был построен англичанином Дж. Доллондом, отчего многие модели объективов этого типа получили название доллондовых труб. По прошествии некоторого времени рефрактор был усовершенствован немецким астрономом Й. Фраунгофером.
Фраунгоферовские телескопы в XIX в. становятся главным инструментом астрономов. И только со второй половины XIX в. зеркальные телескопы вновь занимают прежние позиции. Полностью они не вытеснили рефракторы и по сей день, однако являются наиболее значимыми инструментами ученых. Зеркальные системы в наше время главенствуют в науке. Учеными строятся рефлекторы со все большим размером зеркала.
Самое большое цельное зеркало установлено на телескопе Зеленчукской обсерватории в Ставрополье. Его диаметр составляет 6 м. Гораздо крупнее сборные большие зеркала, составляемые из маленьких. Два телескопа Кека, установленные на Гавайях, представляют собой спаренную оптическую систему и имеют общее на двоих зеркало диаметром 85 м. Истинные размеры зеркал в этой системе составляют всего 1,8 м. Малые зеркала числом 36 объединяются в одно 10-метровое зеркало, установленное на одном телескопе. На втором установлено точно такое же. Расстояние между телескопами равно 85 м. Компьютер объединяет оба телескопа в один с гигантской, 85-метровой базой.
Сегодня телескопом называют практически любое устройство, предназначенное для приема волновой энергии всех видов из мирового пространства. Если рефлекторы и рефракторы принимают исключительно волны видимого света, то есть телескопы, которые способны принимать ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские и радиоволны, а также гамма-лучи. Таким образом, астрономы изучают космос по поступающему из него излучению с любой частотой из всего диапазона.
Естественно, ультрафиолетовые телескопы или радиотелескопы имеют мало общего в техническом плане с оптическими системами. Однако удобное название прочно закрепилось за устройствами для наблюдения за космическими телами и процессами. Ультрафиолетовые телескопы предназначены главным образом для изучения поверхности Солнца, поскольку оно испускает много ультрафиолета.
Инфракрасное излучение несет информацию о тепловом режиме на планетах. Оно свободно проходит сквозь планетные атмосферы и представляет собой поток энергии от неодинаково нагретых участков космического тела. Инфракрасные лучи позволяют более результативно изучать колоссальные газовые скопления в мировом пространстве, строение далеких звезд и т. д. Рентгеновские лучи особо информативны при изучении рентгеновских пульсаров и прочих источников этого излучения, гамма-лучи позволяют наблюдать уникальные внегалактические гамма-источники, а радиоволны одинаково хороши для исследования почти всех космических объектов.
Нужно заметить, что эта упрощенная схема возможностей всеволновой астрономии показывает лишь одно: какие виды волн (излучения) особо информативны и полезны при исследовании тех или иных объектов. В действительности же астрономы никогда не изучают какой-нибудь объект исключительно одним типом волн. Почти каждое небесное тело рассматривается и в радиоволнах, и в ультрафиолетовом диапазоне, и в инфракрасном диапазоне, и в «рентгене», а иногда даже в гамма-лучах.
Волновая и лазерная оптика
Современная оптика есть не что иное, как совокупность дисциплин, тесно взаимосвязанных друг с другом и одновременно совершенно различных. Объединяют эти дисциплины лишь предмет изучения (свет) и фундаментальные законы физики света. Отрасль оптики, изучающая самые общие свойства светового луча, получила название геометрической оптики. Ее сегодня дополняют волновая, молекулярная, волоконная, нелинейная отрасли оптики и многие другие. Причиной недостаточности единственно геометрической оптики для описания всех свойств света послужило то, что он проявляет себя двояко, т. е. в виде волн и потока частиц сразу.
Теория корпускулярно-волнового дуализма
Еще античные атомисты, такие как Демокрит, Эпикур и Лукреций, догадывались, что свет представляет собой поток частиц, которые достигают человеческого глаза и оставляют в нем отпечаток предметов окружающего мира. Аристотель полагал, что свет есть движение, распространяющееся само по себе в пространстве. Тем самым эти философы отказывались от традиционных представлений о природе световых лучей и заложили фундамент двух физических теорий — корпускулярной и волновой. Эти теории вновь возродились в XVII в., когда ученые попытались объяснить оптические явления.
Французский математик и философ P. Декарт разрабатывает волновую теорию света. Согласно его представлениям, свет есть волны, расходящиеся в упругой тонкой среде, заполняющей пространство между телами, — эфире. Декарт не верил в существование пустоты, поэтому прибегнул к эфиру для объяснения физики света. Многие другие ученые придерживались мнения, что свет есть поток частиц. В пустом пространстве, как верили физики этого направления, витают атомы вещества и световые частицы.
Итальянский астроном Ф. Гримальди известен тем, что вел наблюдения за Луной и дал названия 300 объектам на ее поверхности. Двести селенонимов из предложенных им прижились, оказавшись красивыми и очень удачными. Это весьма романтические названия: Море Дождей, Море Кризиса, Море Нектара, Океан Бурь и пр. В физике Гримальди сделал великое открытие, опытным путем доказав волновую природу света.
Астроном, по роду занятий вынужденный много времени отводить на изучение оптики, ставил в начале 1660-х гг. нехитрые эксперименты. Он помещал на пути очень узкого светового пучка предмет. Обычно каждый предмет отбрасывает тень, но в данном случае она была неотчетливой, как если бы свет волнами огибал объект и сходился позади последнего. Ученый присвоил обнаруженному явлению название дифракции, однако не стал спешить с опровержением корпускулярной теории света.
Придерживавшийся данной теории И. Ньютон примерно в это же время провел ставший знаменитым опыт по разложению света на спектр. Ученый пропустил пучок белого света через призму и направил этот луч на экран. Луч распался на семь цветов, выстроившиеся в экране в виде полоски — спектра. Повторив опыт с одноцветным световым пучком, Ньютон не вызвал его разложения на составные части. Пройдя через призму, луч остался одноцветным. Физик пришел к выводу, что белый свет сложный и состоит из частиц семи расцветок.
Одноцветные (монохроматические) лучи простые и образованы только одним родом частиц. Призма отклоняет световые частицы на разный угол в строгой зависимости от цвета последних. Тем самым великий физик убедительно подтвердил справедливость корпускулярной теории. Ньютон провозгласил, что для каждого отдельного цвета величина преломления строго задана и всегда остается неизменной. А значит, неизменны и элементарны световые частицы-корпускулы, подобные в своем постоянстве неделимым атомам вещества. Однако здесь физик ошибался, о чем будет подробнее рассказано ниже.
P. Гук попытался оспорить точку зрения Ньютона, однако так и не смог дать приемлемого объяснения разложению света на спектр. Тем не менее Ньютон внимательно изучил работу Гука и, согласившись со многими доводами своего оппонента, пришел к неожиданному заключению. Свет имеет двойную природу и способен вести себя в разных условиях как поток частиц и как волны эфира. Таким образом, великий англичанин стал первым ученым, провозгласившим корпускулярно-волновой дуализм. К сожалению, об этом надолго забыли.
В XVII столетии Гюйгенс настойчиво разрабатывал волновую теорию, которую связал с законами геометрической оптики. В конце XVIII в. Т. Юнг обнаруживает явление интерференции света, которое объясняется только волновыми свойствами света. С этим оптическим явлением каждый из нас сталкивается всякий раз, когда видит разноцветные разводы от бензина, покрывающего пленкой поверхность лужи. Солнечные лучи отражаются и от бензиновой пленки и от поверхности воды. В результате возникают два перекрывающих друг друга отраженных световых потока. Поскольку свет представляет собой волны, то их перекрывание создает замысловатый узор, который мы воспринимаем как радужные разводы.
В 1864 г. Дж. Максвелл приходит к выводу об электромагнитной природе света. Свет — это волновые колебания электромагнитного поля, заполняющего пространство. Только частота колебаний и, как следствие, длина волны видимого излучения отличают его от прочих видов электромагнитных волн. В остальном радиоволны, инфракрасные (ИК) волны, ультрафиолет (УФ волны), рентгеновские и гамма-лучи родственны видимому свету. То, что они не воспринимаются нашим зрением, объясняется чисто биологическими причинами.
Эволюция вела высших теплокровных животных к умению пользоваться главным каналом оптической информации — световым. Инфракрасные волны передаются сравнительно хуже и сообщают только о нагретых объектах, ультрафиолет поступает лишь от Солнца и поглощается веществом. Жесткие лучи (гамма- и рентгеновские) редко встречаются в природе, т. к. они зарождаются далеко в космосе и гасятся земной атмосферой, не достигая поверхности нашей планеты. Вот почему жесткое излучение интересует среди нефизиков почти единственно астрономов.
Но и они вынуждены признать, что свет несет куда больше информации о звездах и галактиках, чем прочие виды электромагнитного излучения. Именно поэтому самый большой космический телескоп «Хаббл», запущенный на орбиту в 1990 г., работает в оптическом диапазоне. Свет информативен, живым существам, включая и человека, выгоднее воспринимать этот вид волн.
Эффекты, связанные с корпускулярными свойствами света, долгое время оставались необъясненными. Лишь в начале XX в. А. Эйнштейн создал теорию корпускулярно-волнового дуализма, в которой объединил на основе новейших научных представлений все проявления двойственной природы излучения. Свет действительно распространяется волнами, но при этом сохраняет способность квантоваться, т. е. делиться на энергетические порции (кванты), ведущие себя как элементарные частицы. Эти частицы получили название фотонов.
С позиций новой теории света легко доказать, в чем состояла ошибка Ньютона, полагавшего, что преломление цветов неизменно. Угол преломления зависит от частоты, которая напрямую связана с энергией фотонов и одновременно определяет длину световой волны. Частота же меняется в силу разных причин, отчего в спектре может происходить смещение. Известно, к примеру, что фотоны излучения сверхмассивных звезд меняют свою частоту. Чтобы преодолеть гравитационное поле светила, им приходится затрачивать колоссальную энергию, а это немедленно сказывается на частоте.
Другим случаем изменения частоты световых волн является т. н. эффект Допплера. Они распространяются со скоростью 300 000 км/с. Если источник света движется, то волны смещаются относительно друг друга. Одна отстает от предшествующей или, напротив, стремится опередить ее. Соответственно меняется в большую или меньшую сторону длина волны. Поскольку источники света в большинстве случаев движутся на ничтожно малых скоростях в сравнении со световой, то заметных изменений длины волны не происходит. Зато если источник обладает субсветовой скоростью, то его излучение меняет свой истинный цвет.
В 1929 г. американский астрофизик Э. Хаббл, в честь которого назван вышеупомянутый крупный орбитальный телескоп, открыл красное смещение в спектрах галактик. На основании своего открытия ученый пришел к выводу о разбегании галактик. Вселенная расширяется, и звездные системы стремительно разлетаются друг от друга. В каждой точке мирового пространства наблюдателю откроется одинаковая картина — удаляющиеся галактики.
Астрономия способна преподносить и другие сюрпризы. Скажем, в 1978 г. в созвездии Водолея астрономы открыли странный объект. И сейчас трудно сказать, является ли он звездой или далекой галактикой. Известный под номером 88 433, он имеет в своем спектре линии смещения в красной и фиолетовой области. А это надлежит понимать так, что космическое тело одновременно приближается к нашей планете и удаляется от нее.
Скорость загадочного объекта равняется, судя по величине смещения длины волн, 80 000 км/с, т. е. 0,27с (0,27 скорости света). Возможное объяснение феномена следующее. Объект выбрасывает в мировое пространство газовые струи, движущиеся на колоссальной скорости. Одна струя направлена к Земле, другая летит в противоположную сторону. Отсюда двойное смещение в спектре удивительного космического тела.
Лазерные технологии
Открытие двойственной природы света позволило физикам прийти к идее создания оптического квантового генератора. В 1954–1955 гг. отечественными учеными Г. Н. Басовым и А. М. Прохоровым, канадским специалистом Дж. Вебером и американскими физиками Ч. Таусоном, X. Цайгером и Дж. Гордоном был разработан первый мазер, иначе, молекулярный квантовый генератор. Это устройство, предназначенное для генерации и усиления сверхвысокочастотных радиоволн (СВЧ-радиоволн).
Поскольку радиоволны являются наряду с видимым светом разновидностью электромагнитных колебаний, то физики сразу после создания молекулярных генераторов задумались о возможности создавать вынужденное излучение в оптическом диапазоне. В природе вещество очень часто излучает свет. От нагрева светится спираль лампы накаливания, в лесу мигают огоньки гнилушек, испускают в темноте холодное люминесцентное свечение вещества, побывавшие долгое время под прямыми солнечными лучами.
Причиной такого излучения является самопроизвольное испускание световых квантов возбужденными атомами вещества. Среди атомов любого физического тела есть т. н. энергетически возбужденные частицы. Эти атомы обладают избыточной энергией, от которой со временем избавляются путем испускания фотонов. Генератор оптических колебаний, следовательно, должен быть построен по тому же принципу. То есть он должен содержать вещество, активные атомы которого будут служить источником излучения.
Однако генератор не может самопроизвольно излучать видимый свет так, как это делает гнилушка. Ученым требовался постоянный мощный источник колебаний. В обычной системе частиц преобладают атомы с низкой энергией. Чтобы И вещество непрерывно светилось, в нем, наоборот, должны преобладать возбужденные частицы. Такую систему, называемую активной, можно получить при помощи электромагнитного поля.
Искусственное энергетическое возбуждение атомов, носящее название индуцированного, т. е. наведенного, приводит к еще одному выгодному последствию. Самопроизвольное излучение становится не только усиленным, но и когерентным. Обычное свечение гнилушки некогерентно, стало быть, фазы световых колебаний и направления движения фотонов не согласованы. Когерентное излучение отличается согласованием и по фазе, и по направлению. Дальнейшее изучение поведения фотонов и свойств активной среды показало пути к созданию оптических генераторов.
Если в активную среду попадает фотон, то он заставляет возбужденные атомы вокруг него светиться. Они выделяют энергию в виде световых квантов и переходят, таким образом, в свое обычное состояние. Причем выделяющиеся фотоны по направлению и свойствам подобны своему прародителю. Если поместить активную среду между двумя плоскими параллельными зеркалами, то такие фотоны станут многократно отражаться и переотражаться, а в результате по нескольку раз пересекут активную среду. Они, в свою очередь, вызовут излучение других атомов.
В веществе начнется лавинообразный процесс образования одинаковых фотонов. Возникающее в ходе данного процесса излучение называется стимулированным. Одно из плоских зеркал делают полупрозрачным, чтобы стимулированное и усиленное излучение выходило из активной среды в виде тонкого луча. Генератор порождает световой луч, обладающий массой достоинств и уникальных характеристик.
Во-первых, выходящее из активной среды излучение отличается ничтожно малой конусностью, другими словами — малым углом расхождения. Всякий видел, как расширяется луч прожектора, превращаясь в конус. Стимулированное излучение расходится слабо, луч напоминает по форме острейшую иглу, толщина которой равняется зачастую долям микрометра. Если направить такой луч на Луну, то он высветит на ее поверхности окружность диаметром 4 м. Трудно вообразить себе световой конус с диаметром основания 4 м и высотой 384 тыс. км!
Благодаря своей «игольчатости», как образно называют ученые особенность излучения, оно максимально концентрирует в себе энергию и обладает заданной частотой и фазой. Теоретическое обоснование работы квантовых генераторов было одновременно осуществлено Басовым и Таунсом независимо друг от друга. В 1960 г. американским ученым Т. Мейманом был построен первый квантовый генератор, активной средой которого служил синтетический рубин.
Физическое явление, на котором основаны принципы работы установки, по-английски называется light amplification by stimulated emission of radiation, что переводится как усиление световых волн путем стимулированного излучения. По начальным буквам слов, входящих в состав этого названия, оптический квантовый генератор окрестили на Западе лазером. Позднее это короткое и удобное название прижилось и в нашей стране.
Большой интерес к лазерам со стороны обывателей объясняется в немалой степени стараниями фантастов. У ученых же интерес особый. Специалистов самых разных направлений привлекают невероятные возможности применения лазерного луча в научных исследованиях и промышленности. Справедливо будет заметить, что лазеры изменили оптику, обогатив ее новыми знаниями и новыми методами исследования свойств света.
Лазерный луч и его общие свойства изучает т. н. когерентная оптика, представляющая собой новое направление в волновой оптике, смежное с квантовой оптикой. Лазеры, помогая физикам проникать в тайны материи, привели к открытиям, заложившим основы множества других оптических дисциплин.
Из когерентной оптики выросла оптика нелинейная. Она изучает воздействие видимых электромагнитных волн и фотонов на вещество. Прежде ученые не могли с уверенностью сказать, влияет ли свет на среду, сквозь которую проходят его лучи, а если влияет, то как. В наше время нелинейная оптика дает однозначный ответ на этот вопрос. Концентрированная энергия лазера позволяет воздействовать на атомы и молекулы среды столь интенсивно, что эффект от такого воздействия заметен и может быть без особых проблем измерен.
Голография занимается созданием и воспроизведением при помощи лазеров объемных световых изображений. Трехмерные изображения необходимы для демонстрации схем, макетов, моделей, каких-либо структур, а также для научных исследований. Многие физические процессы и особенности анатомии человека исследуются в наше время на голографических картинках.
Перспективна радиооптика, которая занимает проблемами кодирования и переноса в лазерном луче информации. Впоследствии оптическая информация может быть переведена в электрические импульсы. На рубеже 1980–1990-х гг. удалось впервые заложить технические основы лазерной связи и оптического кодирования информации. Тогда же были созданы первые экспериментальные лазерные телесистемы и лазерные чипы для ЭВМ. Совмещение электронных устройств с оптическими, затронутое радиооптикой, изучает оптоэлектроника.
Исправлением искажений светового пучка, проходящего через какую-то среду (газ, жидкость), занимается адаптивная оптика. Фотоэнергетика занимается проблемами передачи энергии в световой форме. Лазерный луч концентрирует и переносит большое количество энергии. Космические энергетические станции могут использовать энергию Солнца, превращать ее в лазерные лучи и направлять на Землю, на орбитальные станции и космические корабли, а в будущем — на Луну и другие планеты.
Посредством лазерного луча можно передавать тепловую энергию на ракету, заправленную экологически чистым топливом. Масса ракеты станет от этого гораздо легче, т. к. значительное количество энергии будет непрерывно поступать с лазерных установок на космодроме. Это в будущем, а пока энергия лазера применяется при сварке и резке металлов, а также при обработке многих других материалов когерентным лучом. Возможности и перспективы применения квантовых генераторов в народном хозяйстве исследуются прикладной дисциплиной — лазерной техникой.
Лазер легко генерирует вспышки, длящиеся несколько пикосекунд, т. е. несколько миллиардных долей секунды! Такие вспышки позволяют исследовать быстро протекающие процессы во время химических и биохимических реакций. Данное направление исследований получило название пикосекундной оптики. Оно оказалось весьма перспективным при изучении химизма живой материи, реакций в тканях и клетках растений, животных и микроорганизмов.
Открытие с помощью квантовых генераторов молекулярных механизмов фотосинтеза и прочие ошеломляющие открытия способствовали появлению фотобиологии — науки, находящейся на стыке когерентной оптики, пикосекундной оптики и биологии. Посредством лазеров сегодня выполняются экспериментальные операции на вирусах и микробах, вызываются химические реакции белков и ферментов, ускоряются процессы в клетках, удаляются хромосомы и отдельные гены.
Многие фирмы и промышленные предприятия во всем мире сегодня пользуются лазерной сигнализацией. Каждому прекрасно известны подобные системы безопасности, устанавливаемые в крупных музеях. Принципиальная схема лазерной сигнализации предельно проста. Охранная система сконструирована с учетом того, что световой луч совершенно невидим. Дело в том, что свет — источник и первопричина нашего зрения — абсолютно невидим до тех пор, пока не попадет к нам в глаз, орган зрения. Если луч не направлен прямо в глаз человеку, то увидеть такой луч совершенно невозможно.
Что касается солнечных лучей в комнате, то они видны благодаря тем самым пылинкам, которые движутся в теплом потоке света. Пыли в воздухе всегда так много, что она отражает световые лучи и не дает им двигаться прямолинейно. Основной поток солнечного света проходит сквозь пространство комнаты по прямой. Однако на всем протяжении пучка лучей от него исходят отраженные витающей в воздухе пылью лучики, идущие на глазное дно наблюдателя.
Лазерный луч малой мощности настолько тонок, что он задевает крайне мало пылинок и не вызывает их свечения. Поэтому когерентный луч незаметен человеку. Квантовый генератор направляет излучение на фотоэлемент, установленный на участке электрической цепи сигнализации. Энергия фотонов преобразуется в электрическую, и цепь замыкается: через фотоэлемент течет ток. Если что-то или кто-то (грабитель) пересекает луч, то фотоэлемент перестает работать и участок цепи разрывается. Ток поступает на динамик сигнализации. Увидеть лазерный луч позволяют аэрозольные частицы, размеры которых в 1000 раз меньше размеров пылинок.
Пользователям персональных ЭВМ известны и другие примеры широкого применения лазерных технологий в повседневной жизни. Успех компакт-дисков в промышленности аудиотехники привел к тому, что сегодня СБ прослушиваются зачастую на компьютерах. Более того, в последнее время СБ еще и просматриваются, поскольку способны хранить на себе фотографические и рисованные изображения. Компакт-диски для хранения и просмотра фотографий появились в 1992 г.
С 1997 г. появились диски БУБ, обладающие емкостью, в 7 раз превосходящей емкость обыкновенных СБ! Это позволило записывать на БУБ видеофильмы и большие игры. Чтение таких дисков осуществляется посредством лазера, встроенного в компьютер. Это маломощный лазерный светодиод, который дает луч с большой конусностью и длиной волны 760 нм. Фокусировка луча осуществляется посредством системы малых линз.
Луч поступает на поверхность диска, отражается от нанесенных на нее бороздок, подобных таковым на грампластинке, и поступает на матрицу из фотоэлементов, где оптическая информация превращается в электрический сигнал, который идет на специальную большую интегральную схему. Остается заметить, что устройства СБ-ШЭМ современного типа появились около 10 лет назад.
Наконец, следует напомнить о лазерных принтерах, которые во многом превосходят все остальные типы печатных устройств. Качество печати современных лазерных принтеров приближается к фотографическому, кроме того, эти устройства издают мало шума при работе. Лазерный луч в данных устройствах принимает участие в создании матрицы изображения. Лазер меняет точечные заряды на поверхности барабана, который с их помощью притягивает к себе частицы краски, а потом переносит их на бумагу. Взаимное расположение точечных зарядов разной величины складывает картинку, которую воссоздает прилипающая к барабану краска.
За последние три года наметилась тенденция снижения цен на этот некогда очень дорогой товар, что делает лазерный принтер доступным для каждого пользователя персонального компьютера. В полиграфии применяется аналог лазерного принтера — фотонаборный аппарат. Это устройство, обладающее несравнимо более высоким качеством печати, создает изображение, воздействуя лазерным лучом на фотопластинку или фотобумагу.
Современная оптика есть не что иное, как совокупность дисциплин, тесно взаимосвязанных друг с другом и одновременно совершенно различных. Объединяют эти дисциплины лишь предмет изучения (свет) и фундаментальные законы физики света. Отрасль оптики, изучающая самые общие свойства светового луча, получила название геометрической оптики. Ее сегодня дополняют волновая, молекулярная, волоконная, нелинейная отрасли оптики и многие другие. Причиной недостаточности единственно геометрической оптики для описания всех свойств света послужило то, что он проявляет себя двояко, т. е. в виде волн и потока частиц сразу.
Теория корпускулярно-волнового дуализма
Еще античные атомисты, такие как Демокрит, Эпикур и Лукреций, догадывались, что свет представляет собой поток частиц, которые достигают человеческого глаза и оставляют в нем отпечаток предметов окружающего мира. Аристотель полагал, что свет есть движение, распространяющееся само по себе в пространстве. Тем самым эти философы отказывались от традиционных представлений о природе световых лучей и заложили фундамент двух физических теорий — корпускулярной и волновой. Эти теории вновь возродились в XVII в., когда ученые попытались объяснить оптические явления.
Французский математик и философ P. Декарт разрабатывает волновую теорию света. Согласно его представлениям, свет есть волны, расходящиеся в упругой тонкой среде, заполняющей пространство между телами, — эфире. Декарт не верил в существование пустоты, поэтому прибегнул к эфиру для объяснения физики света. Многие другие ученые придерживались мнения, что свет есть поток частиц. В пустом пространстве, как верили физики этого направления, витают атомы вещества и световые частицы.
Итальянский астроном Ф. Гримальди известен тем, что вел наблюдения за Луной и дал названия 300 объектам на ее поверхности. Двести селенонимов из предложенных им прижились, оказавшись красивыми и очень удачными. Это весьма романтические названия: Море Дождей, Море Кризиса, Море Нектара, Океан Бурь и пр. В физике Гримальди сделал великое открытие, опытным путем доказав волновую природу света.
Астроном, по роду занятий вынужденный много времени отводить на изучение оптики, ставил в начале 1660-х гг. нехитрые эксперименты. Он помещал на пути очень узкого светового пучка предмет. Обычно каждый предмет отбрасывает тень, но в данном случае она была неотчетливой, как если бы свет волнами огибал объект и сходился позади последнего. Ученый присвоил обнаруженному явлению название дифракции, однако не стал спешить с опровержением корпускулярной теории света.
Придерживавшийся данной теории И. Ньютон примерно в это же время провел ставший знаменитым опыт по разложению света на спектр. Ученый пропустил пучок белого света через призму и направил этот луч на экран. Луч распался на семь цветов, выстроившиеся в экране в виде полоски — спектра. Повторив опыт с одноцветным световым пучком, Ньютон не вызвал его разложения на составные части. Пройдя через призму, луч остался одноцветным. Физик пришел к выводу, что белый свет сложный и состоит из частиц семи расцветок.
Одноцветные (монохроматические) лучи простые и образованы только одним родом частиц. Призма отклоняет световые частицы на разный угол в строгой зависимости от цвета последних. Тем самым великий физик убедительно подтвердил справедливость корпускулярной теории. Ньютон провозгласил, что для каждого отдельного цвета величина преломления строго задана и всегда остается неизменной. А значит, неизменны и элементарны световые частицы-корпускулы, подобные в своем постоянстве неделимым атомам вещества. Однако здесь физик ошибался, о чем будет подробнее рассказано ниже.
P. Гук попытался оспорить точку зрения Ньютона, однако так и не смог дать приемлемого объяснения разложению света на спектр. Тем не менее Ньютон внимательно изучил работу Гука и, согласившись со многими доводами своего оппонента, пришел к неожиданному заключению. Свет имеет двойную природу и способен вести себя в разных условиях как поток частиц и как волны эфира. Таким образом, великий англичанин стал первым ученым, провозгласившим корпускулярно-волновой дуализм. К сожалению, об этом надолго забыли.
В XVII столетии Гюйгенс настойчиво разрабатывал волновую теорию, которую связал с законами геометрической оптики. В конце XVIII в. Т. Юнг обнаруживает явление интерференции света, которое объясняется только волновыми свойствами света. С этим оптическим явлением каждый из нас сталкивается всякий раз, когда видит разноцветные разводы от бензина, покрывающего пленкой поверхность лужи. Солнечные лучи отражаются и от бензиновой пленки и от поверхности воды. В результате возникают два перекрывающих друг друга отраженных световых потока. Поскольку свет представляет собой волны, то их перекрывание создает замысловатый узор, который мы воспринимаем как радужные разводы.
В 1864 г. Дж. Максвелл приходит к выводу об электромагнитной природе света. Свет — это волновые колебания электромагнитного поля, заполняющего пространство. Только частота колебаний и, как следствие, длина волны видимого излучения отличают его от прочих видов электромагнитных волн. В остальном радиоволны, инфракрасные (ИК) волны, ультрафиолет (УФ волны), рентгеновские и гамма-лучи родственны видимому свету. То, что они не воспринимаются нашим зрением, объясняется чисто биологическими причинами.
Эволюция вела высших теплокровных животных к умению пользоваться главным каналом оптической информации — световым. Инфракрасные волны передаются сравнительно хуже и сообщают только о нагретых объектах, ультрафиолет поступает лишь от Солнца и поглощается веществом. Жесткие лучи (гамма- и рентгеновские) редко встречаются в природе, т. к. они зарождаются далеко в космосе и гасятся земной атмосферой, не достигая поверхности нашей планеты. Вот почему жесткое излучение интересует среди нефизиков почти единственно астрономов.
Но и они вынуждены признать, что свет несет куда больше информации о звездах и галактиках, чем прочие виды электромагнитного излучения. Именно поэтому самый большой космический телескоп «Хаббл», запущенный на орбиту в 1990 г., работает в оптическом диапазоне. Свет информативен, живым существам, включая и человека, выгоднее воспринимать этот вид волн.
Эффекты, связанные с корпускулярными свойствами света, долгое время оставались необъясненными. Лишь в начале XX в. А. Эйнштейн создал теорию корпускулярно-волнового дуализма, в которой объединил на основе новейших научных представлений все проявления двойственной природы излучения. Свет действительно распространяется волнами, но при этом сохраняет способность квантоваться, т. е. делиться на энергетические порции (кванты), ведущие себя как элементарные частицы. Эти частицы получили название фотонов.
С позиций новой теории света легко доказать, в чем состояла ошибка Ньютона, полагавшего, что преломление цветов неизменно. Угол преломления зависит от частоты, которая напрямую связана с энергией фотонов и одновременно определяет длину световой волны. Частота же меняется в силу разных причин, отчего в спектре может происходить смещение. Известно, к примеру, что фотоны излучения сверхмассивных звезд меняют свою частоту. Чтобы преодолеть гравитационное поле светила, им приходится затрачивать колоссальную энергию, а это немедленно сказывается на частоте.
Другим случаем изменения частоты световых волн является т. н. эффект Допплера. Они распространяются со скоростью 300 000 км/с. Если источник света движется, то волны смещаются относительно друг друга. Одна отстает от предшествующей или, напротив, стремится опередить ее. Соответственно меняется в большую или меньшую сторону длина волны. Поскольку источники света в большинстве случаев движутся на ничтожно малых скоростях в сравнении со световой, то заметных изменений длины волны не происходит. Зато если источник обладает субсветовой скоростью, то его излучение меняет свой истинный цвет.
В 1929 г. американский астрофизик Э. Хаббл, в честь которого назван вышеупомянутый крупный орбитальный телескоп, открыл красное смещение в спектрах галактик. На основании своего открытия ученый пришел к выводу о разбегании галактик. Вселенная расширяется, и звездные системы стремительно разлетаются друг от друга. В каждой точке мирового пространства наблюдателю откроется одинаковая картина — удаляющиеся галактики.
Астрономия способна преподносить и другие сюрпризы. Скажем, в 1978 г. в созвездии Водолея астрономы открыли странный объект. И сейчас трудно сказать, является ли он звездой или далекой галактикой. Известный под номером 88 433, он имеет в своем спектре линии смещения в красной и фиолетовой области. А это надлежит понимать так, что космическое тело одновременно приближается к нашей планете и удаляется от нее.
Скорость загадочного объекта равняется, судя по величине смещения длины волн, 80 000 км/с, т. е. 0,27с (0,27 скорости света). Возможное объяснение феномена следующее. Объект выбрасывает в мировое пространство газовые струи, движущиеся на колоссальной скорости. Одна струя направлена к Земле, другая летит в противоположную сторону. Отсюда двойное смещение в спектре удивительного космического тела.
Лазерные технологии
Открытие двойственной природы света позволило физикам прийти к идее создания оптического квантового генератора. В 1954–1955 гг. отечественными учеными Г. Н. Басовым и А. М. Прохоровым, канадским специалистом Дж. Вебером и американскими физиками Ч. Таусоном, X. Цайгером и Дж. Гордоном был разработан первый мазер, иначе, молекулярный квантовый генератор. Это устройство, предназначенное для генерации и усиления сверхвысокочастотных радиоволн (СВЧ-радиоволн).
Поскольку радиоволны являются наряду с видимым светом разновидностью электромагнитных колебаний, то физики сразу после создания молекулярных генераторов задумались о возможности создавать вынужденное излучение в оптическом диапазоне. В природе вещество очень часто излучает свет. От нагрева светится спираль лампы накаливания, в лесу мигают огоньки гнилушек, испускают в темноте холодное люминесцентное свечение вещества, побывавшие долгое время под прямыми солнечными лучами.
Причиной такого излучения является самопроизвольное испускание световых квантов возбужденными атомами вещества. Среди атомов любого физического тела есть т. н. энергетически возбужденные частицы. Эти атомы обладают избыточной энергией, от которой со временем избавляются путем испускания фотонов. Генератор оптических колебаний, следовательно, должен быть построен по тому же принципу. То есть он должен содержать вещество, активные атомы которого будут служить источником излучения.
Однако генератор не может самопроизвольно излучать видимый свет так, как это делает гнилушка. Ученым требовался постоянный мощный источник колебаний. В обычной системе частиц преобладают атомы с низкой энергией. Чтобы И вещество непрерывно светилось, в нем, наоборот, должны преобладать возбужденные частицы. Такую систему, называемую активной, можно получить при помощи электромагнитного поля.
Искусственное энергетическое возбуждение атомов, носящее название индуцированного, т. е. наведенного, приводит к еще одному выгодному последствию. Самопроизвольное излучение становится не только усиленным, но и когерентным. Обычное свечение гнилушки некогерентно, стало быть, фазы световых колебаний и направления движения фотонов не согласованы. Когерентное излучение отличается согласованием и по фазе, и по направлению. Дальнейшее изучение поведения фотонов и свойств активной среды показало пути к созданию оптических генераторов.
Если в активную среду попадает фотон, то он заставляет возбужденные атомы вокруг него светиться. Они выделяют энергию в виде световых квантов и переходят, таким образом, в свое обычное состояние. Причем выделяющиеся фотоны по направлению и свойствам подобны своему прародителю. Если поместить активную среду между двумя плоскими параллельными зеркалами, то такие фотоны станут многократно отражаться и переотражаться, а в результате по нескольку раз пересекут активную среду. Они, в свою очередь, вызовут излучение других атомов.
В веществе начнется лавинообразный процесс образования одинаковых фотонов. Возникающее в ходе данного процесса излучение называется стимулированным. Одно из плоских зеркал делают полупрозрачным, чтобы стимулированное и усиленное излучение выходило из активной среды в виде тонкого луча. Генератор порождает световой луч, обладающий массой достоинств и уникальных характеристик.
Во-первых, выходящее из активной среды излучение отличается ничтожно малой конусностью, другими словами — малым углом расхождения. Всякий видел, как расширяется луч прожектора, превращаясь в конус. Стимулированное излучение расходится слабо, луч напоминает по форме острейшую иглу, толщина которой равняется зачастую долям микрометра. Если направить такой луч на Луну, то он высветит на ее поверхности окружность диаметром 4 м. Трудно вообразить себе световой конус с диаметром основания 4 м и высотой 384 тыс. км!
Благодаря своей «игольчатости», как образно называют ученые особенность излучения, оно максимально концентрирует в себе энергию и обладает заданной частотой и фазой. Теоретическое обоснование работы квантовых генераторов было одновременно осуществлено Басовым и Таунсом независимо друг от друга. В 1960 г. американским ученым Т. Мейманом был построен первый квантовый генератор, активной средой которого служил синтетический рубин.
Физическое явление, на котором основаны принципы работы установки, по-английски называется light amplification by stimulated emission of radiation, что переводится как усиление световых волн путем стимулированного излучения. По начальным буквам слов, входящих в состав этого названия, оптический квантовый генератор окрестили на Западе лазером. Позднее это короткое и удобное название прижилось и в нашей стране.
Большой интерес к лазерам со стороны обывателей объясняется в немалой степени стараниями фантастов. У ученых же интерес особый. Специалистов самых разных направлений привлекают невероятные возможности применения лазерного луча в научных исследованиях и промышленности. Справедливо будет заметить, что лазеры изменили оптику, обогатив ее новыми знаниями и новыми методами исследования свойств света.
Лазерный луч и его общие свойства изучает т. н. когерентная оптика, представляющая собой новое направление в волновой оптике, смежное с квантовой оптикой. Лазеры, помогая физикам проникать в тайны материи, привели к открытиям, заложившим основы множества других оптических дисциплин.
Из когерентной оптики выросла оптика нелинейная. Она изучает воздействие видимых электромагнитных волн и фотонов на вещество. Прежде ученые не могли с уверенностью сказать, влияет ли свет на среду, сквозь которую проходят его лучи, а если влияет, то как. В наше время нелинейная оптика дает однозначный ответ на этот вопрос. Концентрированная энергия лазера позволяет воздействовать на атомы и молекулы среды столь интенсивно, что эффект от такого воздействия заметен и может быть без особых проблем измерен.
Голография занимается созданием и воспроизведением при помощи лазеров объемных световых изображений. Трехмерные изображения необходимы для демонстрации схем, макетов, моделей, каких-либо структур, а также для научных исследований. Многие физические процессы и особенности анатомии человека исследуются в наше время на голографических картинках.
Перспективна радиооптика, которая занимает проблемами кодирования и переноса в лазерном луче информации. Впоследствии оптическая информация может быть переведена в электрические импульсы. На рубеже 1980–1990-х гг. удалось впервые заложить технические основы лазерной связи и оптического кодирования информации. Тогда же были созданы первые экспериментальные лазерные телесистемы и лазерные чипы для ЭВМ. Совмещение электронных устройств с оптическими, затронутое радиооптикой, изучает оптоэлектроника.
Исправлением искажений светового пучка, проходящего через какую-то среду (газ, жидкость), занимается адаптивная оптика. Фотоэнергетика занимается проблемами передачи энергии в световой форме. Лазерный луч концентрирует и переносит большое количество энергии. Космические энергетические станции могут использовать энергию Солнца, превращать ее в лазерные лучи и направлять на Землю, на орбитальные станции и космические корабли, а в будущем — на Луну и другие планеты.
Посредством лазерного луча можно передавать тепловую энергию на ракету, заправленную экологически чистым топливом. Масса ракеты станет от этого гораздо легче, т. к. значительное количество энергии будет непрерывно поступать с лазерных установок на космодроме. Это в будущем, а пока энергия лазера применяется при сварке и резке металлов, а также при обработке многих других материалов когерентным лучом. Возможности и перспективы применения квантовых генераторов в народном хозяйстве исследуются прикладной дисциплиной — лазерной техникой.
Лазер легко генерирует вспышки, длящиеся несколько пикосекунд, т. е. несколько миллиардных долей секунды! Такие вспышки позволяют исследовать быстро протекающие процессы во время химических и биохимических реакций. Данное направление исследований получило название пикосекундной оптики. Оно оказалось весьма перспективным при изучении химизма живой материи, реакций в тканях и клетках растений, животных и микроорганизмов.
Открытие с помощью квантовых генераторов молекулярных механизмов фотосинтеза и прочие ошеломляющие открытия способствовали появлению фотобиологии — науки, находящейся на стыке когерентной оптики, пикосекундной оптики и биологии. Посредством лазеров сегодня выполняются экспериментальные операции на вирусах и микробах, вызываются химические реакции белков и ферментов, ускоряются процессы в клетках, удаляются хромосомы и отдельные гены.
Многие фирмы и промышленные предприятия во всем мире сегодня пользуются лазерной сигнализацией. Каждому прекрасно известны подобные системы безопасности, устанавливаемые в крупных музеях. Принципиальная схема лазерной сигнализации предельно проста. Охранная система сконструирована с учетом того, что световой луч совершенно невидим. Дело в том, что свет — источник и первопричина нашего зрения — абсолютно невидим до тех пор, пока не попадет к нам в глаз, орган зрения. Если луч не направлен прямо в глаз человеку, то увидеть такой луч совершенно невозможно.
Что касается солнечных лучей в комнате, то они видны благодаря тем самым пылинкам, которые движутся в теплом потоке света. Пыли в воздухе всегда так много, что она отражает световые лучи и не дает им двигаться прямолинейно. Основной поток солнечного света проходит сквозь пространство комнаты по прямой. Однако на всем протяжении пучка лучей от него исходят отраженные витающей в воздухе пылью лучики, идущие на глазное дно наблюдателя.
Лазерный луч малой мощности настолько тонок, что он задевает крайне мало пылинок и не вызывает их свечения. Поэтому когерентный луч незаметен человеку. Квантовый генератор направляет излучение на фотоэлемент, установленный на участке электрической цепи сигнализации. Энергия фотонов преобразуется в электрическую, и цепь замыкается: через фотоэлемент течет ток. Если что-то или кто-то (грабитель) пересекает луч, то фотоэлемент перестает работать и участок цепи разрывается. Ток поступает на динамик сигнализации. Увидеть лазерный луч позволяют аэрозольные частицы, размеры которых в 1000 раз меньше размеров пылинок.
Пользователям персональных ЭВМ известны и другие примеры широкого применения лазерных технологий в повседневной жизни. Успех компакт-дисков в промышленности аудиотехники привел к тому, что сегодня СБ прослушиваются зачастую на компьютерах. Более того, в последнее время СБ еще и просматриваются, поскольку способны хранить на себе фотографические и рисованные изображения. Компакт-диски для хранения и просмотра фотографий появились в 1992 г.
С 1997 г. появились диски БУБ, обладающие емкостью, в 7 раз превосходящей емкость обыкновенных СБ! Это позволило записывать на БУБ видеофильмы и большие игры. Чтение таких дисков осуществляется посредством лазера, встроенного в компьютер. Это маломощный лазерный светодиод, который дает луч с большой конусностью и длиной волны 760 нм. Фокусировка луча осуществляется посредством системы малых линз.
Луч поступает на поверхность диска, отражается от нанесенных на нее бороздок, подобных таковым на грампластинке, и поступает на матрицу из фотоэлементов, где оптическая информация превращается в электрический сигнал, который идет на специальную большую интегральную схему. Остается заметить, что устройства СБ-ШЭМ современного типа появились около 10 лет назад.
Наконец, следует напомнить о лазерных принтерах, которые во многом превосходят все остальные типы печатных устройств. Качество печати современных лазерных принтеров приближается к фотографическому, кроме того, эти устройства издают мало шума при работе. Лазерный луч в данных устройствах принимает участие в создании матрицы изображения. Лазер меняет точечные заряды на поверхности барабана, который с их помощью притягивает к себе частицы краски, а потом переносит их на бумагу. Взаимное расположение точечных зарядов разной величины складывает картинку, которую воссоздает прилипающая к барабану краска.
За последние три года наметилась тенденция снижения цен на этот некогда очень дорогой товар, что делает лазерный принтер доступным для каждого пользователя персонального компьютера. В полиграфии применяется аналог лазерного принтера — фотонаборный аппарат. Это устройство, обладающее несравнимо более высоким качеством печати, создает изображение, воздействуя лазерным лучом на фотопластинку или фотобумагу.
Загадки зрения
Хотя оптика, о чем рассказывалось выше, давно перестала изучать исключительно зрение, одно из направлений этой науки — физиологическая оптика — по-прежнему занимается физическими аспектами световосприятия. Глаз, учитывая сложность его устройства, допустимо рассматривать в качестве миниатюрной оптической системы. Хрусталик глаза преломляет световые лучи, фокусируя их на сетчатку. Он обладает оптической силой. Зрачок глаза меняет величину в зависимости от освещенности, являющейся физической характеристикой светового потока и выражаемой в люксах.
Открытие дисперсии света
Первооткрывателем явления дисперсии света является Ньютон, а под самой дисперсией понимается разложение сложного света на простые составляющие, т. е. на спектр. Об экспериментах великого физика, в которых он посредством призмы доказывал «элементарность» монохромных (одноцветных) лучей и многокомпонентность белого света, уже говорилось в этой книге. Нужно заметить, что Ньютон не первым открыл разложение света, ученые давно обратили на это явление внимание, наблюдая за радугой, преломлением света в хрустале и т. д. Но только ему удалось объяснить сущность физического явления.
Современное объяснение дисперсии основывается на представлениях о двойственной, корпускулярно-волновой природе видимого излучения. Дисперсией называется зависимость скорости света в веществе от длины волны. Проходя через прозрачное или полупрозрачное вещество (газ, жидкость, стекло, пленку), одноцветный луч испытывает преломление, потому что его скорость в новой среде меняется. Причем чем больше сократится скорость, тем сильнее преломится луч. Красные лучи почти не преломляются, зато фиолетовые отклоняются очень существенно.
Белый свет является комплексным излучением, он образован смешением всех спектральных цветов. Монохромные лучи в составе белого света замедляются веществом (призмой) неодинаково, что приводит к разложению светового потока. Красный луч почти не испытывает преломления, зато остальные лучи отклоняются от него все дальше и дальше. Больше всего отклоняется от красного фиолетовый луч. Поскольку после неодинакового преломления лучи уже не могут смешаться и воссоздать белый цвет, то они приобретают вид радуги-спектра.
Мало кто знает, сколько же действительно цветов увидел Ньютон во время своего эксперимента. Согласно иллюстрациям к работам великого физика, он наблюдал ровно семь цветов спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Парадоксально, однако знаменитый англичанин не видел семи цветов. Он их просто выдумал. Если рассуждать строго научно, то спектр разделим лишь на три области — красную, желто-зеленую и сине-фиолетовую. Человек в состоянии различить в радужной полоске пять чистых цветов — красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый. Если говорить о промежуточных (переходных) оттенках, то их существует 4: оранжевый, желто-зеленый, зелено-голубой и синий. Таким образом, Ньютон мог выделить в линии спектра либо 3 главных области, либо 5 основных, чистых цветов, либо 9 цветовых оттенков вообще — 5 основных цветов и 4 переходных.
Ответ на этот вопрос содержится в исторической работе Ньютона под названием «Оптика», где ученый признается, что увидел 5 чистых цветов. Он рассказывает о своих наблюдениях следующее: «Спектр оказался окрашенным и притом так, что часть наименее преломленная была красною; верхняя же, наиболее преломленная часть у конца была окрашена в фиолетовый цвет. Пространство между этими крайними цветами имело желтую, зеленую и голубую окраску». Физик ввел в науку представление о несуществующих семи цветах спектра, неосознанно подчинись вере в магию числа 7.
Эта вера восходит к астрологии древних халдеев, которые свыше 4000 лет назад поклонялись 7 блуждающим светилам небосвода — Солнцу, Луне, Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру и Сатурну. По числу светил была поделена неделя, которую некогда так и называли на Руси — «седмица». Шесть трудовых дней и седьмой день отдыха приближенно совпадали с биоритмом работоспособности человека, а потому получили мистическое истолкование. Как говорится, даже Бог отдыхал в седьмой день.
Библейское «число зверя», в котором зашифровано имя императора Нерона, составлено из трех шестерок, являющихся неполными семерками. В средние века алхимики знали 7 металлов, музыканты придумали 7 нот. Следует предположить, что Ньютон последовал красивой и загадочной традиции.
Изобретение цветного телевизора
В современной жизни телевизор является не только и не столько предметом для развлечения, сколько ценнейшим источником информации. Выпуски новостей, прогноз погоды, спортивное обозрение, познавательные передачи, ток-шоу, выступления политиков, документальные фильмы и многое другое дарит людям телевидение.
Кроме привычных возможностей, телевидение в наши дни располагает еще и функцией телетекста. Основным же достоинством телевизора и его несомненным преимуществом перед радио является прием изображения.
Человек может не только слышать, но и видеть. Зрительно мы воспринимаем до 90 % информации об окружающем мире, а потому ее передача через картинку на экране более эффективна. Создание изображения на экране — сложный технический процесс. Рабочая часть телевизора, с которой непосредственно имеет дело зритель, называется электронно-лучевой трубкой, или кинескопом.
Это вакуумная лампа, принимающая на себя ток под высоким напряжением. Поскольку ток является направленным движением заряженных частиц — электронов, то они внутри трубки превращаются в бегущий луч. Под действием магнитов отклоняющей системы луч колеблется влево-вправо, пробегая по экрану. Эта часть кинескопа изнутри покрыт веществом люминофором, которое вспыхивает под влиянием электронного луча. Если луч очертит на люминофоре какой-то образ, то на экране появится светящееся изображение. Оно будет держаться до тех пор, пока луч обегает все точки этого изображения.
Предшественником телевизора является катодная трубка, благодаря которой Дж. Дж. Томсон открыл существование электрона. В этой трубке также был установлен покрытый люминофором экран, на который попадал электронный луч, отклонявшийся под действием магнитных полей, создаваемых специальными магнитами. Сейчас в обыкновенном телевизоре такие магниты управляются блоками строчной и кадровой разверток.
Поскольку управлять потоком электронов в вакууме тогда никто не умел, то катодная трубка Томсона была крайне примитивной и не годилась для создания телевизионного изображения. Однако Томсон в своем устройстве использовал, в чем нетрудно убедиться, все классические принципы создания телевизионного изображения. Электронный луч создавался на катоде кинескопа посредством термоэлектронной эмиссии, открытой Т. А. Эдисоном.
Явление термоэлектронной эмиссии сводится к интенсивному испусканию электронов металлом при нагреве. Катод электронно-лучевой трубки сильно нагревается под действием тока, оттого электроны активно срываются с него и быстро приобретают нужную скорость. Их поток движется в трубке со скоростью 70 000 км/с. Вообще, свободные электроны способны перемещаться в пространстве со скоростью света, т. е. 300 000 км/с. Но отклоняющая система своими магнитными полями существенно тормозит движение частиц.
Создание телевизионной техники приходится на 1940-е гг., когда американским инженером Зворыкиным, русским по происхождению, был сконструирован иконоскоп. Он представляет собой трубку наоборот, т. е. не для показа изображения, но для его передачи. Экран иконоскопа покрыт мозаичным слоем из фотоэлементов весьма малых размеров. По этому слою пробегает электронный луч, обеспечивающий контакт фотоэлементов с усилителем сигнала.
Когда на экран проецируется кинематографическое изображение, оно превращается фотоэлементами в импульсы тока, преобразуемые усилителем. Впоследствии такие сигналы передавались по радио на волнах метрового диапазона. Их приемником служил телевизор, представлявший собой видоизмененный иконоскоп. В настоящее время телевизионный тракт включает в себя массу устройств, начиная от объектива кинокамеры и заканчивая выходом кодирующего устройства в телеприемнике.
Телевидение тесно связано с электричеством, магнетизмом и радиосвязью, поскольку базируется на принципах этих отраслей физики. Оптика же объясняет физические закономерности восприятия зрительной информации и обосновывает ключевые позиции техники формирования телевизионного изображения. Если бы оптика не открыла удивительных особенностей нашего глаза, то люди никогда бы не смогли создать телевизор.
Поэтому величайшая заслуга в изобретении этого устройства принадлежит в первую очередь оптической науке. Оптики установили, что зрение человека обладает несколькими особенностями: инерционностью, ограниченной разрешающей способностью по угловому расстоянию и перемещениям, одинаковой разрешающей способностью по угловому расстоянию. Инерционность зрения позволяет воспроизводить на телеэкране изображение, разбив его на элементы. То есть последовательность быстро сменяющихся картинок воспринимается нами как одна картинка.
Воспроизведение на экране движущихся предметов на сменяющихся картинках осуществляется путем подачи компонентов движения. Изменение положения объектов изображается поэлементно — в виде отдельных подвижек. Ограничивающая разрешающая способность зрения по перемещениям создает у телезрителя иллюзию пластичности движений. Ограничивающая разрешающая способность по угловому расстоянию сводится к тому, что глаза не различают далеко расположенные предметы. Если угловое расстояние между любыми двумя объектами меньше 1 с, то оба воспринимаются как один предмет.
Одинаковая разрешающая способность заключается в независимости остроты глаза от направления зрения. Оба вида разрешающей способности позволяют подобрать ограниченную полосу частот телесигнала. Под частотами понимаются горизонтальная частота строк изображения и вертикальная частота кадров. Они задаются строчной и кадровой развертками (горизонтальной и вертикальной, как их иногда называют).
Заголовок раздела обещает дать объяснение принципов работы цветного телевизора. Внимание цветному телевидению уделено не случайно. Во-первых, конечно, черно-белые экраны сейчас безвозвратно уходят в прошлое. Во-вторых, и это самое главное, заслуги оптики в данном случае более очевидны. Не сразу техники догадались, как сделать картинку цветной. Человек воспринимает 500 000 цветов и оттенков. Все это богатство красок нельзя превратить в один-единственный слой люминофора. Ответ пришел от нейрофизиологов и, разумеется, оптиков, которые сообща открыли физико-химический механизм цветовосприятия.
Вклад оптиков был решающим, поскольку существование разных цветов объясняется разными длинами волн и, соответственно, различными частотами светового излучения. Человек способен видеть только три цвета, тогда как остальные не воспринимает. Об этом впервые догадался великий русский ученый М. В. Ломоносов. Сегодня известно, что человеческое зрение работает по особому принципу.
Ранее сообщалось, что, хотя свет и распространяется в виде волн, поглощается он минимальными порциями — квантами. Точно так же вода в реках движется в виде волн, но вот пить ее можно лишь порциями — стаканами, бутылками, кружками и т. д. Каждая световая порция обладает какой-то энергией, зависящей от частоты излучения.
Поскольку частота связана с длиной волны, то получается, что энергия порций светового потока связана с длиной волны. Попадая в глаз, кванты света вызывают там химические реакции, которые приводят к появлению у человека цветоощущения. Дно глазного яблока выстлано тканью, называемой сетчаткой. Она содержит светочувствительные клетки — колбочки и палочки. Расположенные в центральной части сетчатки колбочки насчитывают 7 млн штук. Они бывают трех типов, отличающихся один от другого по виду содержащегося в них светочувствительного фермента.
В клетках одного типа — определенный фермент из группы родопсинов. В колбочках других типов такого фермента нет, там находятся совершенно иные родопсины. Каждый родопсин способен реагировать только при попадании на него светового кванта с определенной энергией. Колбочки с родопсином, реагирующим на энергию красного излучения, возбуждаются под влиянием волны длиной 760–620 нм. Их нервное возбуждение передается в сборники информации — базальные клетки, откуда сигнал через разные виды клеток-«посредников» поступает в головной мозг. Там уже возникает ощущение красного цвета.
Если же на колбочки попадают волны из желтой части спектра, то их энергия возбуждает в некотором соотношении колбочки, «видящие» красный и зеленый цвета. «Синие» колбочки остаются совершенно безучастными. На ганглиозные клетки поступает смешанная информация, что приводит к возникновению нового светового ощущения. В зависимости от соотношения «красных» и «зеленых» колбочек в мозгу формируется той или иной интенсивности желтый цвет.
Понятно, что предельно точное цветовосприятие глазом такого строения невозможно, т. к. соотношение разных типов колбочек для одной и той же длины волны не всегда и не для всех одинаково. Оттого способность различать цвета развита у каждого по-своему. Кто-то способен назвать переданный на картине изумрудный оттенок светло-зеленым, а кто-то аквамариновым.
Не следует все же относиться к человеческому зрению с осуждением. Наше неточное цветовосприятие превосходит по совершенству цветное зрение большинства живых существ, не говоря уже об оптической технике. Глаз является самым универсальным инструментом, когда речь идет о распознавании цветов.
Быть может, человек не всегда сумеет выразить словами разницу между антрацитовым, пепельно-черным, иссиня-черным и бархатно-черным оттенками, зато сможет эту разницу увидеть.
Экран цветного кинескопа телевизора или компьютерного дисплея покрыт точками (зернами) зеленого, красного и синего люминофора. Во время передачи цветного изображения люминофор под бомбардировкой электронным пучком испускает зеленое, красное и синее свечение. В зависимости от сочетания основных цветов методом аддитивного смешения у зрителя создается ощущение появления нового цвета или оттенка.
Скажем, луч бомбардирует электронами ближайшие точки экрана, расположенные по три, — красное, синее и зеленое зерна. Одни точки светятся красным, другие синим, а не различающий отдельных точек телезритель воспринимает световой сигнал как фиолетовый. Зеленый сигнал подается слабым и не влияет на изображение. Нужно заметить, что получение нужного оттенка зависит не столько от количества точек, сколько от интенсивности основных цветов.
Количество же позволяет придать цветному участку угловые размеры, необходимые для отчетливого его восприятия. Близко расположенные цветные детали сливаются и зрительно окрашиваются в общий, пространственно усредненный оттенок. Слияние всех основных цветов при одинаковой интенсивности дает ровный белый цвет. На катоде цветного кинескопа расположены три электронно-лучевые пушки, управляемые обособленными системами. Каждая пушка направляет луч только на определенные зерна люминофора: либо красные, либо синие, либо зеленые.
Корректирует направление лучей установленная в трубке пластиновидная теневая маска из инвара — сплава из 64 % железа и 36 % никеля. Инвар менее всех остальных металлов и сплавов меняет линейные размеры при колебаниях температуры среды. В теневой маске проделаны малые отверстия, соответствующие зернам люминофора. В некоторых теневых масках проделаны щели, заменяющие систему отверстий. Такие маски называют уже не масками, а апертурными решетками.
Хотя оптика, о чем рассказывалось выше, давно перестала изучать исключительно зрение, одно из направлений этой науки — физиологическая оптика — по-прежнему занимается физическими аспектами световосприятия. Глаз, учитывая сложность его устройства, допустимо рассматривать в качестве миниатюрной оптической системы. Хрусталик глаза преломляет световые лучи, фокусируя их на сетчатку. Он обладает оптической силой. Зрачок глаза меняет величину в зависимости от освещенности, являющейся физической характеристикой светового потока и выражаемой в люксах.
Открытие дисперсии света
Первооткрывателем явления дисперсии света является Ньютон, а под самой дисперсией понимается разложение сложного света на простые составляющие, т. е. на спектр. Об экспериментах великого физика, в которых он посредством призмы доказывал «элементарность» монохромных (одноцветных) лучей и многокомпонентность белого света, уже говорилось в этой книге. Нужно заметить, что Ньютон не первым открыл разложение света, ученые давно обратили на это явление внимание, наблюдая за радугой, преломлением света в хрустале и т. д. Но только ему удалось объяснить сущность физического явления.
Современное объяснение дисперсии основывается на представлениях о двойственной, корпускулярно-волновой природе видимого излучения. Дисперсией называется зависимость скорости света в веществе от длины волны. Проходя через прозрачное или полупрозрачное вещество (газ, жидкость, стекло, пленку), одноцветный луч испытывает преломление, потому что его скорость в новой среде меняется. Причем чем больше сократится скорость, тем сильнее преломится луч. Красные лучи почти не преломляются, зато фиолетовые отклоняются очень существенно.
Белый свет является комплексным излучением, он образован смешением всех спектральных цветов. Монохромные лучи в составе белого света замедляются веществом (призмой) неодинаково, что приводит к разложению светового потока. Красный луч почти не испытывает преломления, зато остальные лучи отклоняются от него все дальше и дальше. Больше всего отклоняется от красного фиолетовый луч. Поскольку после неодинакового преломления лучи уже не могут смешаться и воссоздать белый цвет, то они приобретают вид радуги-спектра.
Мало кто знает, сколько же действительно цветов увидел Ньютон во время своего эксперимента. Согласно иллюстрациям к работам великого физика, он наблюдал ровно семь цветов спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Парадоксально, однако знаменитый англичанин не видел семи цветов. Он их просто выдумал. Если рассуждать строго научно, то спектр разделим лишь на три области — красную, желто-зеленую и сине-фиолетовую. Человек в состоянии различить в радужной полоске пять чистых цветов — красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый. Если говорить о промежуточных (переходных) оттенках, то их существует 4: оранжевый, желто-зеленый, зелено-голубой и синий. Таким образом, Ньютон мог выделить в линии спектра либо 3 главных области, либо 5 основных, чистых цветов, либо 9 цветовых оттенков вообще — 5 основных цветов и 4 переходных.
Ответ на этот вопрос содержится в исторической работе Ньютона под названием «Оптика», где ученый признается, что увидел 5 чистых цветов. Он рассказывает о своих наблюдениях следующее: «Спектр оказался окрашенным и притом так, что часть наименее преломленная была красною; верхняя же, наиболее преломленная часть у конца была окрашена в фиолетовый цвет. Пространство между этими крайними цветами имело желтую, зеленую и голубую окраску». Физик ввел в науку представление о несуществующих семи цветах спектра, неосознанно подчинись вере в магию числа 7.
Эта вера восходит к астрологии древних халдеев, которые свыше 4000 лет назад поклонялись 7 блуждающим светилам небосвода — Солнцу, Луне, Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру и Сатурну. По числу светил была поделена неделя, которую некогда так и называли на Руси — «седмица». Шесть трудовых дней и седьмой день отдыха приближенно совпадали с биоритмом работоспособности человека, а потому получили мистическое истолкование. Как говорится, даже Бог отдыхал в седьмой день.
Библейское «число зверя», в котором зашифровано имя императора Нерона, составлено из трех шестерок, являющихся неполными семерками. В средние века алхимики знали 7 металлов, музыканты придумали 7 нот. Следует предположить, что Ньютон последовал красивой и загадочной традиции.
Изобретение цветного телевизора
В современной жизни телевизор является не только и не столько предметом для развлечения, сколько ценнейшим источником информации. Выпуски новостей, прогноз погоды, спортивное обозрение, познавательные передачи, ток-шоу, выступления политиков, документальные фильмы и многое другое дарит людям телевидение.
Кроме привычных возможностей, телевидение в наши дни располагает еще и функцией телетекста. Основным же достоинством телевизора и его несомненным преимуществом перед радио является прием изображения.
Человек может не только слышать, но и видеть. Зрительно мы воспринимаем до 90 % информации об окружающем мире, а потому ее передача через картинку на экране более эффективна. Создание изображения на экране — сложный технический процесс. Рабочая часть телевизора, с которой непосредственно имеет дело зритель, называется электронно-лучевой трубкой, или кинескопом.
Это вакуумная лампа, принимающая на себя ток под высоким напряжением. Поскольку ток является направленным движением заряженных частиц — электронов, то они внутри трубки превращаются в бегущий луч. Под действием магнитов отклоняющей системы луч колеблется влево-вправо, пробегая по экрану. Эта часть кинескопа изнутри покрыт веществом люминофором, которое вспыхивает под влиянием электронного луча. Если луч очертит на люминофоре какой-то образ, то на экране появится светящееся изображение. Оно будет держаться до тех пор, пока луч обегает все точки этого изображения.
Предшественником телевизора является катодная трубка, благодаря которой Дж. Дж. Томсон открыл существование электрона. В этой трубке также был установлен покрытый люминофором экран, на который попадал электронный луч, отклонявшийся под действием магнитных полей, создаваемых специальными магнитами. Сейчас в обыкновенном телевизоре такие магниты управляются блоками строчной и кадровой разверток.
Поскольку управлять потоком электронов в вакууме тогда никто не умел, то катодная трубка Томсона была крайне примитивной и не годилась для создания телевизионного изображения. Однако Томсон в своем устройстве использовал, в чем нетрудно убедиться, все классические принципы создания телевизионного изображения. Электронный луч создавался на катоде кинескопа посредством термоэлектронной эмиссии, открытой Т. А. Эдисоном.
Явление термоэлектронной эмиссии сводится к интенсивному испусканию электронов металлом при нагреве. Катод электронно-лучевой трубки сильно нагревается под действием тока, оттого электроны активно срываются с него и быстро приобретают нужную скорость. Их поток движется в трубке со скоростью 70 000 км/с. Вообще, свободные электроны способны перемещаться в пространстве со скоростью света, т. е. 300 000 км/с. Но отклоняющая система своими магнитными полями существенно тормозит движение частиц.
Создание телевизионной техники приходится на 1940-е гг., когда американским инженером Зворыкиным, русским по происхождению, был сконструирован иконоскоп. Он представляет собой трубку наоборот, т. е. не для показа изображения, но для его передачи. Экран иконоскопа покрыт мозаичным слоем из фотоэлементов весьма малых размеров. По этому слою пробегает электронный луч, обеспечивающий контакт фотоэлементов с усилителем сигнала.
Когда на экран проецируется кинематографическое изображение, оно превращается фотоэлементами в импульсы тока, преобразуемые усилителем. Впоследствии такие сигналы передавались по радио на волнах метрового диапазона. Их приемником служил телевизор, представлявший собой видоизмененный иконоскоп. В настоящее время телевизионный тракт включает в себя массу устройств, начиная от объектива кинокамеры и заканчивая выходом кодирующего устройства в телеприемнике.
Телевидение тесно связано с электричеством, магнетизмом и радиосвязью, поскольку базируется на принципах этих отраслей физики. Оптика же объясняет физические закономерности восприятия зрительной информации и обосновывает ключевые позиции техники формирования телевизионного изображения. Если бы оптика не открыла удивительных особенностей нашего глаза, то люди никогда бы не смогли создать телевизор.
Поэтому величайшая заслуга в изобретении этого устройства принадлежит в первую очередь оптической науке. Оптики установили, что зрение человека обладает несколькими особенностями: инерционностью, ограниченной разрешающей способностью по угловому расстоянию и перемещениям, одинаковой разрешающей способностью по угловому расстоянию. Инерционность зрения позволяет воспроизводить на телеэкране изображение, разбив его на элементы. То есть последовательность быстро сменяющихся картинок воспринимается нами как одна картинка.
Воспроизведение на экране движущихся предметов на сменяющихся картинках осуществляется путем подачи компонентов движения. Изменение положения объектов изображается поэлементно — в виде отдельных подвижек. Ограничивающая разрешающая способность зрения по перемещениям создает у телезрителя иллюзию пластичности движений. Ограничивающая разрешающая способность по угловому расстоянию сводится к тому, что глаза не различают далеко расположенные предметы. Если угловое расстояние между любыми двумя объектами меньше 1 с, то оба воспринимаются как один предмет.
Одинаковая разрешающая способность заключается в независимости остроты глаза от направления зрения. Оба вида разрешающей способности позволяют подобрать ограниченную полосу частот телесигнала. Под частотами понимаются горизонтальная частота строк изображения и вертикальная частота кадров. Они задаются строчной и кадровой развертками (горизонтальной и вертикальной, как их иногда называют).
Заголовок раздела обещает дать объяснение принципов работы цветного телевизора. Внимание цветному телевидению уделено не случайно. Во-первых, конечно, черно-белые экраны сейчас безвозвратно уходят в прошлое. Во-вторых, и это самое главное, заслуги оптики в данном случае более очевидны. Не сразу техники догадались, как сделать картинку цветной. Человек воспринимает 500 000 цветов и оттенков. Все это богатство красок нельзя превратить в один-единственный слой люминофора. Ответ пришел от нейрофизиологов и, разумеется, оптиков, которые сообща открыли физико-химический механизм цветовосприятия.
Вклад оптиков был решающим, поскольку существование разных цветов объясняется разными длинами волн и, соответственно, различными частотами светового излучения. Человек способен видеть только три цвета, тогда как остальные не воспринимает. Об этом впервые догадался великий русский ученый М. В. Ломоносов. Сегодня известно, что человеческое зрение работает по особому принципу.
Ранее сообщалось, что, хотя свет и распространяется в виде волн, поглощается он минимальными порциями — квантами. Точно так же вода в реках движется в виде волн, но вот пить ее можно лишь порциями — стаканами, бутылками, кружками и т. д. Каждая световая порция обладает какой-то энергией, зависящей от частоты излучения.
Поскольку частота связана с длиной волны, то получается, что энергия порций светового потока связана с длиной волны. Попадая в глаз, кванты света вызывают там химические реакции, которые приводят к появлению у человека цветоощущения. Дно глазного яблока выстлано тканью, называемой сетчаткой. Она содержит светочувствительные клетки — колбочки и палочки. Расположенные в центральной части сетчатки колбочки насчитывают 7 млн штук. Они бывают трех типов, отличающихся один от другого по виду содержащегося в них светочувствительного фермента.
В клетках одного типа — определенный фермент из группы родопсинов. В колбочках других типов такого фермента нет, там находятся совершенно иные родопсины. Каждый родопсин способен реагировать только при попадании на него светового кванта с определенной энергией. Колбочки с родопсином, реагирующим на энергию красного излучения, возбуждаются под влиянием волны длиной 760–620 нм. Их нервное возбуждение передается в сборники информации — базальные клетки, откуда сигнал через разные виды клеток-«посредников» поступает в головной мозг. Там уже возникает ощущение красного цвета.
Если же на колбочки попадают волны из желтой части спектра, то их энергия возбуждает в некотором соотношении колбочки, «видящие» красный и зеленый цвета. «Синие» колбочки остаются совершенно безучастными. На ганглиозные клетки поступает смешанная информация, что приводит к возникновению нового светового ощущения. В зависимости от соотношения «красных» и «зеленых» колбочек в мозгу формируется той или иной интенсивности желтый цвет.
Понятно, что предельно точное цветовосприятие глазом такого строения невозможно, т. к. соотношение разных типов колбочек для одной и той же длины волны не всегда и не для всех одинаково. Оттого способность различать цвета развита у каждого по-своему. Кто-то способен назвать переданный на картине изумрудный оттенок светло-зеленым, а кто-то аквамариновым.
Не следует все же относиться к человеческому зрению с осуждением. Наше неточное цветовосприятие превосходит по совершенству цветное зрение большинства живых существ, не говоря уже об оптической технике. Глаз является самым универсальным инструментом, когда речь идет о распознавании цветов.
Быть может, человек не всегда сумеет выразить словами разницу между антрацитовым, пепельно-черным, иссиня-черным и бархатно-черным оттенками, зато сможет эту разницу увидеть.
Экран цветного кинескопа телевизора или компьютерного дисплея покрыт точками (зернами) зеленого, красного и синего люминофора. Во время передачи цветного изображения люминофор под бомбардировкой электронным пучком испускает зеленое, красное и синее свечение. В зависимости от сочетания основных цветов методом аддитивного смешения у зрителя создается ощущение появления нового цвета или оттенка.
Скажем, луч бомбардирует электронами ближайшие точки экрана, расположенные по три, — красное, синее и зеленое зерна. Одни точки светятся красным, другие синим, а не различающий отдельных точек телезритель воспринимает световой сигнал как фиолетовый. Зеленый сигнал подается слабым и не влияет на изображение. Нужно заметить, что получение нужного оттенка зависит не столько от количества точек, сколько от интенсивности основных цветов.
Количество же позволяет придать цветному участку угловые размеры, необходимые для отчетливого его восприятия. Близко расположенные цветные детали сливаются и зрительно окрашиваются в общий, пространственно усредненный оттенок. Слияние всех основных цветов при одинаковой интенсивности дает ровный белый цвет. На катоде цветного кинескопа расположены три электронно-лучевые пушки, управляемые обособленными системами. Каждая пушка направляет луч только на определенные зерна люминофора: либо красные, либо синие, либо зеленые.
Корректирует направление лучей установленная в трубке пластиновидная теневая маска из инвара — сплава из 64 % железа и 36 % никеля. Инвар менее всех остальных металлов и сплавов меняет линейные размеры при колебаниях температуры среды. В теневой маске проделаны малые отверстия, соответствующие зернам люминофора. В некоторых теневых масках проделаны щели, заменяющие систему отверстий. Такие маски называют уже не масками, а апертурными решетками.
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги