Голографія і природа

Голографія – метод отримання об’ємного зображення, заснований на взаємному накладенні світлових хвиль. Про голографію багато всього писалося. Але ось виникла нова ідея: а чи не винайшла голографію природа? Винайшла і використовувала задовго до людини і лазерного променя. Ідея вимагала експерименту і аналогій. Так почалися пригоди Патрокла, метелика з сімейства Морфо.

— Сідайте. Давайте поговоримо. Чому ви не задаєте питання? Незрозуміло? Ви знаєте метелика “Мертва голова”? У неї на спинці знак «Memento mori» — «пам’ятай про смерть», — череп і схрещені кістки. І нікому, абсолютно нікому не зрозуміло, навіщо вони там!

На столі професора Шаталова красувався трохи помутнілий циліндр — монокристал кухонної солі. Він зірвався, коли його витягали з розплаву, і не годився в справу, інакше б його давно розпиляли — ось чому він тут стояв. Я знала, що професор — відмінний фотограф і що вдома у нього чудова колекція метеликів, правда, сильно постраждала у війну. А моя задача полягала тоді у тому, щоб створювати в монокристалі кухонної солі центри забарвлення, змушувати їх перетворюватися один в одного і вивчати ці перетворення.

Кристал з центрами забарвлення (нонами домішки) був класичною моделлю чорніючої фотоемульсії. Прохолодна тінь знака “Мементо морі” над моєю курсовою висіла так низько, що іноді, коли псувалася “піч”, де в кристалах центри забарвлення перетворювалися один в одного, я майже торкалася її рукою…

У підручнику ентомології говорилося, що забарвлення метеликів (за нього відповідальні лусочки — пилок, що покриває крило) буває пігментним і структурним, а останній — інтерференційним і дифракційним.

Соковите, переливчасте, з сильним металевим блиском, воно не містить ні краплі пігменту. На початку минулого століття його вивчали такі видатні фізики, як Релей, Майкельсон, Вуд. Тоді ж з’явилося ще одне припущення – що його створюють центри забарвлення, подібні до тих, що в кристалах, ось чому метелики особливо залучили нашого “шефа”.

Розквіт оптики в 1880-1920 роках зробив надкрила бронзового жука і прозорі лусочки метеликів об’єктом вивчення фізиків. Однак всім трьом гіпотезам не вистачало доказів, і природа структурного забарвлення до цього дня залишалася неясною до кінця. І ось — новий розквіт оптики і нова хвиля інтересу: немає подібності між структурами крила метелика і товстошарової голограми.

Гіпотеза здавалася неймовірною. Якщо все завдання переливчатої плямочки на крилі — залучати яскравістю, то природі дійсно набагато легше було ввести в нього центри забарвлення, ніж городити десять-двадцять шарів і їх суворий порядок перебивати суворо впорядкованими ж порушеннями, як у голограми. Адже дорогоцінні камені вона створила саме цим способом. Рубін – це кристал окису алюмінію, а колір його – домішка іонів хрому. Ті ж іони хрому, впроваджені в кристал берилу, роблять його смарагдом.

Втім, голографія мала безперечну схожість з іншою, якщо не з такою екзотичною, як метелик, то, у всякому разі, давно відомою річчю: фотографією Ліппмана.

Математичний апарат дифракції і інтерференції був відомий сто років тому. Фотоплівка теж. Правда, не було достатньо яскравих і монохроматичних джерел світла, щоб тут же її здійснити. Але що ж заважало запропонувати хоча б ідею голографії сто років тому? Може бути… Може бути, її і висловлювали, тільки не так ясно, не в тих виразах, які нам легко сприйняти, не довели до кінця? Недарма кажуть, що нове — це добре забуте старе, і ми бачимо лише те, що вже знаємо.

Заново з пристрастю читалися праці оптиків минулого. Із сховищ витягувалися томи фотографічних «гандбухів». І — по замітках і фотографіях в спеціальних і масових журналах; з патентів на оптичні прилади і фотоматеріали, нарешті, по доповідям і висловлюванням відомих вчених — був відтворений голографічний бум, який тривав двадцять років.

Звичайно, слово “голографія” тоді нікому не спало на думку. Йдеться про метод фотографії, запропонований чудовим французьким оптиком, дійсним членом Паризької Академії, лауреатом Нобелівської премії Габріелем Ліппманом. Не те щоб він був зовсім забутий — ви прочитаєте про нього в будь-якому вузівському підручнику оптики, але, оскільки мова там йде всього лише про кольорову фотографію, а вона розвивалася і вижила більш дешевим чином, для багатьох він залишився чимось на зразок курйозу з історії науки: дивіться, чого тільки не пропонували у свій час, — виявляється, весь спектр можна вичавити з чорно-білої емульсії!

Але в основі «курйозу» лежали фундаментальні властивості світла, а це надзвичайно добротний матеріал. Він не старіє. Нехай на якісь десятки років емпірично підібрані сенсибілізатори і проявники спокусили публіку своєю дешевизною і відтіснили його. Десь поруч ходив справжній метод, заснований на фундаментальних Законах природи. Як істинному генію, йому не вистачало полегшеності, ординарності і ще чогось, і взагалі вік його ще не настав… Але спіраль розвитку науки — не що інше, як туга пружина логіки, яка знову-таки з неминучістю фізичного закону розпрямляється і ставить все на свої місця.

Одним словом, в 1891 році Ліппман сформулював дві умови, необхідні для отримання кольорових фотографій за його методом. Відразу за емульсією, щільно притиснувшись до неї, має бути розташоване плоске дзеркало. Світло проходить крізь емульсію, відбивається від дзеркала і знову крізь емульсію повертається. При цьому в ній виникають стоячі хвилі. Вони завжди виникають при відображенні — адже падаючий і відбитий промені когерентні — і утворюють інтерференційну картину нерухомих вузлів і пучностей. Кожен колір, тобто кожна довжина хвилі, створює свій власний візерунок стоячих хвиль.

1895 рік. Ліппман демонструє на Всесвітній виставці в Парижі чудові фотографії спектра Сонця, отримані за його методом талановитим співробітником П. Н. Лебедєвом Усагіним. Фотографії викликають сенсацію. 1900 рік. «Цейсс» — знаменита вже на той час фірма починає випускати прилади для розглядання і проектування ліппманівських фотографій. В – касеті емульсія стикалася зі ртуттю, зображення було плоским, розглядати його доводилося крізь конусоподібну кювету, наповнену бензолом. — зате яким прекрасним за кольором воно було!

Одне з перших кольорових фото в історії, ліппманівська папуга.

Двадцять років не сходила ліппманівська фотографія зі сторінок наукової літератури. З’явилися способи, що обходилися без ртуті, пропонувалися «сандвічі» з дзеркалом прямо на плівці. І багато приголомшливих нас властивостей голографії відкрилися здивованим поглядам розумних людей більше ста років тому.

«Ліппманівська фотографія — фізичний дослід, в якому сам світ записує свій шлях, а потім його відтворює. В цьому є цікава аналогія з людською пам’яттю і з грамофонною платівкою.

Тоді розуміли, що відкриття, що володіє настільки нетривіальними властивостями, чекає велике майбутнє. Забута ж ліппманівська фотографія була не через складність свою, а через відсутність досить сильного джерела світла. Та ж доля загрожувала методам Габора і Денисюка, не прийди вчасно на допомогу лазер. У «долазерний час» Габор навіть їздив в США продавати свій метод — і не знайшов покупця. За його словами, щоб отримати середню голограму без лазера, експозиція мала б тривати від Різдва Христового до наших днів.

Коли читаєш оригінальні праці фізиків минулого і позаминулого століття, а не присвячені їм абзаци підручників і монографій, щоразу дивуєшся, як багато вони знали про досліджувані явища і як трішки не вистачало їм, щоб довести справу до багатьох важливих висновків і відкриттів.

Релею для розгадки структурного забарвлення не вистачало електронного мікроскопа. Ентомологам теж.

Патрокл був дуже старий. Може бути, йому було сто років, а може бути, і більше, тому його було не шкода. А коли ми проходили повз стенд метеликів Морфо і побачили серед них іншого такого ж, але в повному порядку, він годився цьому у правнуки, завідувач фондами Зоологічного музею Юрій Олександрович Костюк зовсім пом’якшав і дозволив робити зі старим все, що знадобиться науці.

І ось під мікроскопом проходять ряди лусочок, що накривають один одного, як черепиці. Нижня поверхня крил Патрокла щільна і візерункова, начебто коричневих шпалер, і світло, що пробивається крізь щербини між лусочками, затишно помаранчеве, ніби справді дивишся крізь розхитаний дах старого будинку. Знімаємо одну “черепицю”, щоб розгледіти її під великим збільшенням. Вражаюче: лусочка складається з майже паралельних волокон, що до неможливості нагадували мікроскопічні борозенки плоскої голограми або штрихи дифракційної решітки. Підрахували їх ширину: сходиться!

Тепер подивимося її у відбитому світлі. Так, волокна. Але кожне таке ж блакитне, як вся пляма на крилі. Хіба штрихи дифракційної решітки під мікроскопом виглядають пофарбованими? Значить, не дифракція?

Потім нам дуже пощастило. Відкрилася виставка новітніх електронних мікроскопів, і там для реклами всім бажаючим робили знімки. Так в наших руках опинилися п’ять надзвичайно чітких фотографій лусочки, збільшеної від п’ятисот до десяти тисяч разів, і ще дві — стереопара із збільшенням двадцять тисяч. І стало ясно, що колектив прозорих волокон, що гіпнотизував нас майже осмисленою дисципліною дифракційної решітки, грає в забарвленні далеко не головну роль. І зрозуміло, чому спектр відбиття одного волокна виглядав так само, як і у всієї плями на крилі.

Волокно не було суцільним. Знову ж таки, як черепиці, набігають одна на одну під невеликим кутом до площини крила і сходинками виходять назовні, його складали шари — стрічки прозорого хітину. У кожному поперечному перерізі їх налічувалося п’ять-шість. А товщина їх була такою, що умова Ліппмана — Брегга, згідно з якою підсилюють одна одну хвилі, відбиті від тонких шарів, виконувалося як раз для блакитного кольору!

Крило, змочене спиртом, з блакитного ставало зеленим. Тут теж все встало на свої місця: хітин в спирті трохи набухав, показник заломлення його злегка змінювався, оптична довжина шляху світла збільшувалася, і в товщині шару замість півхвилі блакитного світла укладалася півхвиля зеленого. Якщо світло направити майже паралельно площині лусочки, шлях його в шарі теж збільшиться, і створяться вигідні умови для більш довгих хвиль. Так і виходить “переливчасте” забарвлення, спектр відображення, що доходить до червоного.

А чи є доцільність у структурного забарвлення взагалі? Ентомологи вважають його іноді просто побічним продуктом. Що ж, може бути, це і так. Але вражаюче, до чого різні види лусок (а на одному крилі їх сім-вісім типів), навіть обсипаних пігментом, влаштовані зручно для створення такого забарвлення. У разі метелики Морфо відповідь напрошується сама собою. Покрийте таку пляму пігментом, колір якого пов’язаний з поглинанням світла, – і за годину вона нагріється під тропічним сонцем до ста градусів. Навряд чи це принесе задоволення навіть сухим крилам метелика. А шарувата структура створює забарвлення, не поглинаючи світла.

Отже, природа давним-давно народила те, що людина створила лише в останні десятиліття. Мимоволі я згадала слова Артура Шустера, з дослідів якого випливало існування електрона: «Ідея про можливості існування атома електрики (електрона) ніколи не приходила мені в голову, і якби сталося щось подібне і я відкрито висловив б такі єретичні думки, я навряд чи міг би вважатися серйозним фізиком, бо межі допустимого еретизму в науці досить вузькі». Ні, природа створила не голограму, скажемо обережно – голограмоподібну структуру. Для чого знадобилося в інших місцях цього ж крила подібну структуру прикрашати пігментом? І, до речі, навіщо все-таки метелику “Мертва голова” знак “Memento more”? Це все ще нікому не зрозуміло.

Автор: Л. Пекар.