Доклад: Новый микроскоп

Александр Венедюхин

Говорят, что шлифовать стекла по-всякому задумали еще смелые на мысль древние греки. Прометей их какой, что ли, научил? Кто знает, может они же первыми и разглядывали загадочных жучков и прочих мелких блох через получающиеся после умелого шлифования увеличительные оптические инструменты. Но изобретение микроскопа приписали себе твердой рукой голландцы — совсем недревние жители Нидерландов. Потому как некто Янсен, освоивший премудрости придания прозрачности стеклам именно в Нидерландах, нашлифовал мелких линзочек для суперувеличительной трубы еще в 1590 году. Считается, что так и появился первый микроскоп, опять же на территории Нидерландов и без помощи Прометея. Впрочем, про Прометея это, понятно, шутка.

Где здесь исторические приписки, а где правда — разобраться сейчас не просто, гораздо сложнее, чем в причинах и точном времени начала Столетней войны. Одно ясно: даже если Янсену микроскоп и не удался, все равно развесистую пальму первенства спиливает другой житель Нидерландов — по-житейски хитрый натуралист-любитель Левенгук, зарабатывавший торговлей.

Антони ван Левенгук, как известно, с 1673 года порядком беспокоил Лондонское королевское общество, засылая в него множество писем с зарисовками разных тварей и даже отдельных живых клеток, кои он через свой, по тому времени совершенно уникальный и абсолютно мощнейший, микроскоп наблюдал в большом увеличении. В итоге, Левенгука взяли и в Лондонское королевское общество приняли. Впрочем, пионером научного использования микроскопа многие по традиции считают Роберта Гука, англичанина, ставшего членом Лондонского королевского общества на семнадцать лет ранее Левенгука. Но, надо отметить, что Гук в свои микроскопы видел сперва гораздо меньше голландского торговца и даже просил последнего раскрыть прочим ученым секрет своего мастерства в достижении столь качественного результата, хоть бы и за деньги. Левенгук, говорят, был непреклонен, что в итоге и снискало ему признание чисто научное.

Вряд ли эти события сильно затормозили техническое развитие микроскопа — одного из немногих научных приборов, которые теперь можно в разнообразии встретить не только в начальной школе, но и в магазине игрушек. В восемнадцатом веке, при живом участии Эйлера, постепенно стала вырисовываться теория микроскопии, давшая позднее, в веке девятнадцатом, стройные плоды в виде трудов соратника Карла Цейса — ученого Эрнста Аббе, имя которого до сих пор тут и там встречается в обозначении ключевых устройств современных микроскопов.

Концепция светового микроскопа на первый взгляд проста: достаточно яркий световой источник освещяет тем или иным образом объект исследования, лучи света попадают в оптическую систему (объективы-окуляры), проходят через линзы и формируют в глазу, так сказать, исследователя, прильнувшего к окуляру, многократно увеличенное изображение маленькой толики наблюдаемого объекта. При этом наблюдаемый объект может быть как прозрачным, так и непрозрачным, наблюдаемым в проходящем или в отраженном свете, сверху-вниз или сильно сбоку, на обычном или холодильном столике, а также и еще десятком экзотических способов, для описания которых в нашей колонке места нет.

Мы говорим о другом. О развитии и скачках.

Левенгук, например, сумел достичь великого мастерства в приготовлении стекол для собственных микроскопов (он все делал своими руками). Поэтому получил увеличения до сотни крат и более, а равно и «картинку» с приемлемым уровнем оптических искажений. Но смотря в микроскоп и видя нечто неожиданное, хочется еще больше увеличить незримое, кинув взглядом глубже в тайны природы. Ведь уже и после Левенгука, когда нашли способы варить специальные стекла, добавляя много разных приправ, с каждым новым шагом мощности увеличения открывались все новые подробности. Триста крат. Пятсот. Тысяча. Глаз радуется. Еще больше.

Тут, впрочем, в оптической микроскопии таилось серьезное разочарование: оказалось, что разглядеть детали размером чуть меньше длины волны используемого света не удается по причине дифракции этих самых световых волн. Предел лежал около полутора тысяч крат. Конечно, увеличение микроскопа можно было бы устроить и в десять тысяч крат, но все бесполезно: новых деталей уже не открывается, а все какие-то кольца да размытые пятна. Процесс сильно напоминает увеличение современной цифровой фотографии на экране компьютера: рано или поздно красивые цветы превращаются в набор безобразных цветных квадратных пикселей.

Развивать световую микроскопию в область больших увеличений, как казалось, стало невозможно: на пути оказалась физика, со своими законами.

Первый скачок в микромир произошел, когда было принято решение отказаться от света в микроскопии. В начале двадцатого века появились электронные микроскопы: в этих устройствах вместо лучей света используются потоки электронов. Это был прорыв. Длина волны электрона много меньше световой, поэтому разрешающая способность растет. Растет не просто, а на порядки. Электронные микроскопы обеспечивают увеличение в многие десятки тысяч раз. Роль линз в электронном микроскопе выполняют электромагнитные катушки и прочие устройства, и основные принципы остались похожими на обычный световой микроскоп. Вот только смотреть под электронным микроскопом можно далеко не все — слишком жесткое излучение.

И тем не менее, длительное время мирились с тем, что на световой базе дальше развиваться некуда. Даже так и писали в учебниках и важных энциклопедиях: «достигнут дифракционный предел — дальше идти невозможно».

И вот уже совсем недавно физика, стоявшая на пути увеличения мощности световых увеличительных приборов, таки и отступила, сжалившись. Или вернее будет сказать, что физика же и подсказала новые пути. Выяснилось, что невозможное возможно и дифракционный предел — не предел вовсе. В конце восьмидесятых годов прошлого, двадцатого, века появились основанные на теоретически предсказанном многим ранее эффекте так называемые ближнеполные световые микроскопы, использующие лазерное излучение и особый метод доставки этого самого излучения к образцу (через тонкий стеклянный проводок, оснащенный «микродиафрагмой») — это был первый шаг на новом витке развития световой микроскопии, той самой, с которой экспериментировал Левенгук.

Теперь же, в начале века двадцать первого, методики преодоления «невозможного» стали сыпаться как искры хорошего фейерверка. Появились методики, основанные на квантовых свойствах света. Методики, использующие компьютерные вычисления для обработки испорченной дифракцией «картинки». Когерентный свет и много всего прочего.

То есть, вот прямо сейчас намечается очередной прорыв в микроскопии, связанный с одним из старейших научных приборов — световым микроскопом, — и способный сдвинуть световую микроскопию в области высоких увеличений. Прорыв даже более интересный, чем появление электронного микроскопа.

Левенгук с древними греками обзавидуются.