Голография и природа

Голография – метод получения объемного изображения, основанный на взаимном наложении световых волн. О голографии много всего писалось. Но вот возникла новая идея: а не изобрела ли голографию природа? Изобрела и использовала задолго до человека и лазерного луча. Идея требовала эксперимента и аналогий. Так начались приключения Патрокла, бабочки из семейства Морфо.

— Садитесь. Давайте поговорим. Почему вы не задаете вопросы? Непонятно? Вы знаете бабочку «Мертвая голова»? У нее на спинке знак «Memento mori» — «помни о смерти», — череп и скрещенные кости. И никому, абсолютно никому не понятно, зачем они там!

На столе профессора Шаталова красовался чуть помутневший цилиндр — монокристалл поваренной соли. Он сорвался, когда его вытягивали из расплава, и не годился в дело, иначе бы его давно распилили — вот почему он здесь стоял. Я знала, что профессор — отличный фотограф и что дома у него великолепная коллекция бабочек, правда, сильно пострадавшая в войну. А моя задача состояла тогда в том, чтобы создавать в монокристалле поваренной соли центры окраски, заставлять их превращаться друг в друга и изучать эти превращения.

Кристалл с центрами окраски (нонами примеси) был классической моделью чернеющей фотоэмульсии. Прохладная тень знака «Мементо мори» над моей курсовой висела так низко, что иногда, когда портилась «печка», где в кристаллах центры окраски превращались друг в друга, я почти касалась ее рукой…

В учебнике энтомологии говорилось, что окраска бабочек (за нее ответственны чешуйки — пыльца, покрывающая крыло) бывает пигментной и структурной, а последняя — интерференционной и дифракционной.

Сочная, переливчатая, с сильным металлическим блеском, она не содержит ни капли пигмента. В начале прошлого века ее изучали такие выдающиеся физики, как Рэлей, Майкельсон, Вуд. Тогда же появилось еще одно предположение — что ее создают центры окраски, подобные тем, что в кристаллах, вот почему бабочки особенно привлекли нашего «шефа».

Расцвет оптики в 1880—1920 годах сделал надкрылья бронзового жука и прозрачные чешуйки бабочек объектом изучения физиков. Однако всем трем гипотезам не хватало доказательств, и природа структурной окраски до сего дня оставалась неясной до конца. И вот — новый расцвет оптики и новая волна интереса: нет ли сходства между структурами крыла бабочки и толстослойной голограммы.

Гипотеза казалась невероятной. Если вся задача переливчатого пятнышка на крыле — привлекать яркостью, то природе действительно гораздо легче было ввести в него центры окраски, чем городить десять-двадцать слоев и их строгий порядок перебивать строго упорядоченными же нарушениями, как у голограммы. Ведь драгоценные камни она создала именно этим способом. Рубин — это кристалл окиси алюминия, а цвет его — примесь ионов хрома. Те же ионы хрома, внедренные в кристалл берилла, делают его изумрудом.

Впрочем, голография имела бесспорное сходство с другой, если не с такой экзотической, как бабочка, то, во всяком случае, давно известной вещью: фотографией Липпмана.

Математический аппарат дифракции и интерференции был известен сто лет назад. Фотопленка тоже. Правда, не было достаточно ярких и монохроматических источников света, чтобы тут же ее осуществить. Но что же мешало предложить хотя бы идею голографии сто лет назад? Может быть… Может быть, ее и высказывали, только не так ясно, не в тех выражениях, которые нам легко воспринять, не довели до конца? Недаром говорят, что новое — это хорошо забытое старое, и мы видим лишь то, что уже знаем.

Заново с пристрастием читались труды оптиков прошлого. Из хранилищ извлекались тома фотографических «гандбухов». И — по заметкам и фотографиям в специальных и массовых журналах; по патентам на оптические приборы и фотоматериалы, наконец, по докладам и высказываниям известных ученых — был воссоздан голографический бум, длившийся двадцать лет. Бум, который можно сравнить лишь с начинающимся сейчас… (Правда, сейчас бум иного характера, все большей популярностью вместо традиционных фотографий начинают пользоваться фотографические картины на стену, которые можно приобрести на сайте https://art-holst.com.ua/personal-photo).

Конечно, слово «голография» тогда никому не пришло в голову. Речь идет о методе фотографии, предложенном замечательным французским оптиком, действительным членом Парижской Академии, лауреатом Нобелевской премии Габриэлем Липпманом. Не то чтобы он был начисто забыт — вы прочтете о нем в любом вузовском учебнике оптики, но, поскольку речь там идет всего лишь о цветной фотографии, а она развивалась и выжила более дешевым образом, для многих он остался чем-то вроде курьеза из истории науки: смотрите, чего только не предлагали в свое время, — оказывается, весь спектр можно выжать из черно-белой эмульсии!

Но в основе «курьеза» лежали фундаментальные свойства света, а это чрезвычайно добротный материал. Он не стареет. Пусть на какие-то десятки лет эмпирически подобранные сенсибилизаторы и проявители прельстили публику своей дешевизной и оттеснили его. Где-то рядом ходил Настоящий метод, основанный на Фундаментальных Законах Природы. Как истинному гению, ему не хватало облегченности, ординарности и еще чего-то, и вообще век его еще не настал… Но спираль развития науки — не что иное, как тугая пружина логики, которая опять-таки с неизбежностью физического закона распрямляется и ставит все на свои места.

Одним словом, в 1891 году Липпман сформулировал два условия, необходимые для получения цветных фотографий по его методу. Сразу за эмульсией, плотно прижавшись к ней, должно быть расположено плоское зеркало. Свет проходит сквозь эмульсию, отражается от зеркала и — опять сквозь эмульсию — возвращается. При этом в ней возникают стоячие волны. Они всегда возникают при отражении — ведь падающий и отраженный лучи когерентны — и образуют интерференционную картину неподвижных узлов и пучностей. Каждый цвет, то есть каждая длина волны, создает свой собственный узор стоячих волн.

1895 год. Липпман демонстрирует на Всемирной выставке в Париже замечательные фотографии спектра Солнца, полученные по его методу талантливым сотрудником П. Н. Лебедева Усагиным. Фотографии вызывают сенсацию. 1900 год. «Цейсс» — знаменитая уже к тому времени фирма — начинает выпускать приборы для рассматривания и проецирования липпмановских фотографий. В – кассете эмульсия соприкасалась со ртутью, изображение было плоским, рассматривать его приходилось сквозь конусообразную кювету, наполненную бензолом. — зато каким прекрасным по цвету оно было!

Одно из первых цветных фото в истории, липпмановский попугай.

Двадцать лет не сходила липпмановская фотография со страниц научной литературы. Появились способы, обходившиеся без ртути, предлагались «сандвичи» с зеркалом прямо на пленке. И многие ошеломляющие нас непохожестью на что бы то ни было свойства голографии открылись удивленным взорам умных людей более ста лет назад.

«Липпмановская фотография — физический опыт, в котором сам свет записывает свой путь, а потом его воспроизводит. В этом имеется интересная аналогия с человеческой памятью и с граммофонной пластинкой.

Тогда понимали, что открытие, обладающее столь нетривиальными свойствами, ждет большое будущее. Забыта же липпмановская фотография была не из-за сложности своей, а из-за отсутствия достаточно сильного источника света. Та же судьба угрожала методам Габора и Денисюка, не приди вовремя на помощь лазер. В «долазерное время» Габор даже ездил в США продавать свой метод — и не нашел покупателя. По его словам, чтобы получить среднюю голограмму без лазера, экспозиция должна была бы длиться от Рождества Христова до наших дней.

Когда читаешь оригинальные труды физиков прошлого и позапрошлого века, а не посвященные им абзацы учебников и монографий, всякий раз поражаешься, как много они знали об исследуемых явлениях и какой малости не хватало им, чтобы довести дело до многих важных выводов и открытий.

Рэлею для разгадки структурной окраски не хватало электронного микроскопа. Энтомологам тоже.

Патрокл был очень стар. Может быть, ему было сто лет, а может быть, и больше, поэтому его было не жалко. А когда мы проходили мимо стенда бабочек Морфо и увидели среди них другого такого же, но в полном порядке и годившегося этому в правнуки, заведующий фондами Зоологического музея Юрий Александрович Костюк совсем смягчился и разрешил делать со стариком все, что понадобится науке.

И вот под микроскопом проходят ряды чешуек, накрывающие друг друга, как черепицы. Нижняя поверхность крыльев Патрокла плотная и узорчатая, вроде коричневых обоев, и свет, пробивающийся сквозь щербины между чешуйками, уютно оранжевый, будто в самом деле смотришь сквозь расшатанную крышу старого дома. Снимаем одну «черепицу», чтоб разглядеть ее под большим увеличением. Поразительно: чешуйка состоит из почти параллельных волокон, до невозможности напоминавших микроскопические бороздки плоской голограммы или штрихи дифракционной решетки. Подсчитали их ширину: сходится!

Теперь посмотрим ее в отраженном свете. Да, волокна. Но каждое такое же голубое, как все пятно на крыле. Разве штрихи дифракционной решетки под микроскопом выглядят окрашенными? Значит, не дифракция?

Потом нам крупно повезло. Открылась выставка новейших электронных микроскопов, и там для рекламы всем желающим делали снимки. Так в наших руках оказались пять необычайно четких фотографий чешуйки, увеличенной от пятисот до десяти тысяч раз, и еще две — стереопара с увеличением двадцать тысяч. И стало ясно, что коллектив прозрачных волокон, гипнотизировавший нас почти осмысленной дисциплиной дифракционной решетки, играет в окраске далеко не главную роль. И понятно, почему спектр отражения одного волокна выглядел так же, как и у всего пятна на крыле.

Волокно не было сплошным. Опять же, как черепицы, набегающие друг на друга под небольшим углом к плоскости крыла и ступеньками выходящие наружу, его составляли слои — ленты прозрачного хитина. В каждом поперечном сечении их насчитывалось пять-шесть. А толщина их была такой, что условие Липпмана — Брэгга, в соответствии с которым усиливают друг друга волны, отраженные от тонких слоев, выполнялось как раз для голубого цвета!

Крыло, смоченное спиртом, из голубого становилось зеленым. Тут тоже все встало на свои места: хитин в спирте чуть набухал, показатель преломления его слегка менялся, оптическая длина пути света увеличивалась, и в толщине слоя вместо полуволны голубого света укладывалась полуволна зеленого. Если свет направить почти параллельно плоскости чешуйки, путь его в слое тоже увеличится, и выгодные условия создадутся для более длинных волн. Так и получается «переливчатая» окраска, спектр отражения, доходящий до красного.

А есть ли целесообразность у структурной окраски вообще? Энтомологи считают ее иногда просто побочным продуктом. Что же, может быть, это и так. Но поразительно, до чего разные виды чешуек (а на одном крыле их семь-восемь типов), даже осыпанных пигментом, устроены удобно для создания такой окраски. В случае бабочки Морфо ответ напрашивается сам собой. Покройте такое пятно пигментом, цвет которого связан с поглощением света, — и за час оно нагреется под тропическим солнцем до ста градусов. Вряд ли это доставило бы удовольствие даже сухим крыльям бабочки. А слоистая структура создает окраску, не поглощая света.

Итак, природа давным-давно родила то, что человек создал лишь в последние десятилетия. Невольно я вспомнила слова Артура Шустера, из опытов которого вытекало существование электрона: «Идея о возможности существования атома электричества (электрона) никогда не приходила мне в голову, и если бы случилось что-либо подобное и я открыто выразил бы такие еретические мысли, я вряд ли мог бы считаться серьезным физиком, ибо границы допустимого еретизма в науке довольно узки». Нет, природа создала не голограмму, скажем осторожно — голограммоподобную структуру. Для чего понадобилось в других местах этого же крыла сходную структуру украшать пигментом? И, кстати, зачем все-таки бабочке «Мертвая голова» знак «Memento more»? Это все еще никому не понятно.

Автор: Л. Пекарь.