Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / Крушение парадоксов
Начало сайта / Раритетные издания / Крушение парадоксов

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Биологически активные

Законы Паркинсона

Генри Форд. Моя жизнь, мои достижения

Популярная библиотека химических элементов

Сын человеческий

Часы. От гномона до атомных часов

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Крушение парадоксов

Ирина Радунская

Глава VII. Образы

На Неве

Приходилось ли вам ясным весенним утром смотреть на Неву, стоя на крыльце здания Адмиралтейства? Тяжелая громада Петропавловской крепости сумрачно глядит на вычурные линии Зимнего дворца. Строгий стиль бывшего здания биржи контрастирует с двумя ростральными колоннами, которые напоминают о тех далеких временах, когда парус, а не пар и тем более не атомное ядро служили покорителям морей и океанов. Трудно пройти мимо, не задержавшись взглядом на силуэте прошлого. Но человек устроен так, что, вспоминая о старом, он стремится к новому.

– Солнечным утром в конце 50-х годов по мосту шагал молодой человек. Шагал, не глядя по сторонам, не замечая окружающего. Он спешил на работу, и его работа шла с ним. Вечером она сопровождала его домой, и усаживала за письменный стол, и не пускала ни в театр, ни в кино. И допоздна не давала уснуть. А утром, когда он просыпался, бодрый и полный энергии, она была тут как тут, и торопила его, и подгоняла новыми надеждами.

И он торопился по набережной, не глядя по сторонам и не замечая плоского здания петровской кунсткамеры и высокого крыльца университета. Так же безразлично он сворачивал с набережной направо между палисадниками и, не видя ни изумрудной зелени, ни возникавшего вдали массивного здания библиотеки, еще раз обдумывал то, что должен сделать сегодня.

Он заходил в институт, одно из первых научных учреждений, созданных Советским правительством, и, пройдя длинными коридорами, открывал дверь в лабораторию и зажигал свет. Окна в лаборатории обычно были наглухо закрыты черными шторами. Молодой человек работал над одной из старых проблем оптики. Свет здесь тоже был работником. Незаменимым, но своевольным, и его нужно было держать в руках, управлять им, как опытный наездник управляет горячей лошадью.

В этом институте живы и развиваются традиции замечательных оптиков С.И. Вавилова, Д.А. Рождественского и других ученых, посвятивших свою жизнь изучению свойств света и применению оптических явлений на пользу людям. Здесь чтят и уважают тех, кто отдает науке все время, все силы, мысли и мечты. Тут, на Васильевском острове, не только территориально, но и идейно слились, неразрывно переплелись три рукава науки – академическая, университетская и отраслевая. Объединились далекими перспективами, конкретными задачами и, самое главное, людьми, умеющими широко мыслить, дерзко провидеть будущее, упорно идти к поставленной цели.

Задача, над которой бился Юрий Николаевич Денисюк, казалась неинтересной большинству его коллег. Человечество вступило в космическую эру. Стали реальностью атомные электростанции. А его, видите ли, не удовлетворяют возможности фотографии!

Уже получены изображения огромных галактик и мельчайших вирусов. Даже отдельные молекулы зафиксированы на фотопластинках. А миллионы самых разнообразных фотоаппаратов в руках любителей и профессионалов превратили фотографию в подлинное искусство, отображающее окружающий мир во всем его многообразии. Что же еще надо?

Да, соглашались друзья, конечно, фотография не лишена недостатков. Она плоска, она мертва. Но настоящий мастер способен, несмотря на это, добиться чудесных результатов при помощи обычного фотоаппарата. А ведь существует и кино.

Есть множество более насущных или более интересных задач. Нельзя забывать и того, что над усовершенствованием фотографии трудилось множество людей, среди них и глубокие ученые, и талантливые инженеры. Здесь каждый новый шаг требует огромных усилий. Окупятся ли они?

Но Денисюк ясно понимал, что блестящие достижения фотографии заслоняют ее принципиальное несовершенство. Она способна зафиксировать на фотоэмульсии лишь ничтожную часть сведений об объекте съемки, переносимых световыми волнами. Этот порок не устранен и в кино. Огромный поток информации остается неиспользованным. Найти возможность применения всей теряемой информации – не мелочь. Сделавший такое совершит важный шаг, все последствия которого трудно предвидеть!

Табула раса

Свет солнца, вольтовой дуги или другого источника света в каком-то смысле похож на чистый лист бумаги. В самом деле, рассматривая бумагу через лупу или микроскоп, можно узнать много интересного о ее строении. Но это нужно только специалистам. Большинство людей применяет бумагу для письма, для рисования. Став основой книгопечатания, бумага привела к интеллектуальной революции. Бумага уже много веков служит основным носителем информации, текущей по номерам газет и журналов, застывающей на многие годы и века на листах книг и законодательных актов. Конечно, бумага имеет и чисто технические применения. Но и в этом она подобна свету.

Изучая особенности световых лучей, можно узнать многое. Астроному они говорят о строении далеких звезд, сталевару о ходе плавки, их применяют и в технологических целях. Для человечества свет – зеркало, в котором отражен весь окружающий нас мир. Оно собирает всю информацию о мире.

И для человека и для животного самая важная функция, выполняемая светом, – передача информации. Природа в процессе эволюции выработала наиболее сложный и совершенный из органов чувств – глаз. Чем были бы мы без зрения!

Свет, отраженный предметами внешнего мира, несет в себе богатейшую информацию. Глаз воспринимает этот свет и передает полученную информацию в мозг. Здесь-то и возникает представление о внешнем мире. Примитивное у животных, все более полное у человека. Глаз и мозг – вот основной канал, при помощи которого мы связаны с внешним миром и можем отображать его в нашем сознании.

Виктор Обухов был близорук. Стоило ему снять очки, как все расплывалось перед его глазами. Виктор уже оканчивал университет, а впервые ему пришлось надеть очки при поступлении в школу. Но и теперь он воспринимал пару копеечных стекол как чудо. Сквозь них ему открывается вся прелесть мира.

Конечно, еще в школе он умел на уроках физики объяснить, что хрусталики его глаз имеют слишком выпуклую форму и не могут создать на сетчатке резкого изображения. А вогнутые линзы очков помогают это сделать, И он знал, что дальнозорким, хрусталики которых слишком плоски, нужно носить выпуклые линзы, и тогда ослабевшие мышцы глаз могут справиться со своей задачей.

Все было просто и понятно школьнику Вите. Но студент Обухов чувствовал правоту аспиранта Денисюка, утверждавшего, что лишь при поверхностном наблюдении сложное кажется простым.

Да, да, поспешно соглашался Виктор, действительно, человек лишится счастья, а человечество прогресса, если простота и ясность детства не будут разрушаться под напором жизни.

Денисюк не стал бы тратить время на объяснение очевидного, но собеседник, вернее слушатель, необходим, чтобы отточить аргументы, и Денисюк старался сформулировать свои мысли логично и ясно.

Итак, свет, рассеянный каждым телом, несет полную информацию о нем. Далее, ни глаз Виктора, ни фотоаппарат не способны зафиксировать и малой доли этой информации. Не так ли?

Ну конечно! Как мог Виктор возразить? Стоит ему снять очки, и он становится совершенно беспомощным. Он видит свет, но не воспринимает ничего определенного. Если на сетчатке нет изображения, мозг бессилен. Он не способен извлечь что-либо определенное из информации, которая по-прежнему вливается в зрачки глаз, но, не будучи упорядоченной хрусталиком, образует на сетчатке световую кашу. Виктор в особенно тяжелом положении. У него неполноценные глаза. Людям с нормальным зрением легче. Они могут без малейшего напряжения переводить взгляд с ближних предметов на дальние и видеть все четко и ясно. Кривизна хрусталика изменяется рефлекторно, когда наше внимание переходит с одного предмета на другой. Глаз с нарушенными функциями этого сделать не может. Не может и фотоаппарат.

В фотоаппарате, где кривизна линз объектива неизменна, резкость изображения достигается изменением расстояния от объектива до эмульсии. Сбей наводку, и на пластинке не возникнет никакого изображения. Такая же каша, как у близорукого, лишенного очков. Вот это досадное свойство глаза и фотоаппарата и подчеркивал Денисюк. Изображение, образуемое линзой, содержит очень малую часть образа реальных предметов. Из всего необъятного пространства точно отображается лишь одна плоскость. Все, что вне ее, ближе или дальше, получается не резко. И чем больше расстояние от избранной плоскости, тем меньше резкость изображения. Не так ли?

Перспектива

Виктор почтительно воспринимал безупречную логику рассуждений Денисюка. Он часами рассматривал фотографию шмеля, полученную при помощи телеобъектива. Ясно видны мельчайшие ворсинки на его лайках, лепесток цветка, на котором он сидит, но все остальное расплывалось в неопределенный серый фон.

Что находилось там, когда был сделан снимок? Этого никто и никогда не узнает, хотя лучи света, несомненно, пронесли все сведения через объектив фотоаппарата. Но объектив, как бы истратив полностью свои возможности на прекрасное изображение малой части картины, навсегда погубил остальное.

Так можно ли фиксировать всю информацию, переносимую светом, и как? Над этим и думал Юрий Николаевич Денисюк.

Основное, что мы теряем, применяя для создания изображения линзы, – объемность. Недаром бытует выражение – «плоский, как фотография». Как тут не вспомнить традиционную японскую живопись. В ее традициях особенно проглядывает упорство, с которым художники стремились преодолеть пространство. Удаленные предметы на такой картине расположены над близкими. Близкие не заслоняют их. Прозрачные пастельные тона и смазанные контуры настолько соответствуют мягким горным пейзажам, что глаз не обращает внимания на главную особенность этой живописи. Но лишь только на картине возникают изделия рук человека с их четкими контурами или, помимо удаленных ландшафтов, появляется передний план, вспоминаются детские рисунки. Они плоски! Лишь живое воображение ребенка или воспитанная многими поколениями привычка позволяет, отвлекаясь от примитивной формы, домысливать телесную объемность реального мира. Дети быстро проходят путь, на который человечество затратило века. Они удивительно рано научаются переносить на бумагу изображения реального мира. Рельсы, уходя вдаль, сближаются. Телеграфные столбы становятся меньше и меньше. Лишь впоследствии дети узнают, что это называется перспективой.

Рисунок и живопись, лишенные перспективы, бесперспективны. Этот горький каламбур относится в равной степени и к абстрактной живописи, и к некоторым другим авангардистским течениям. Порывы ветра всегда вызывают рябь на поверхности воды. Создается полная иллюзия течения. Но ему не хватает глубины.

Прогресс подобен мощной реке. Он движется своим путем, несмотря на капризные дуновения и даже бури, способные на время задержать его извечный ход.

Перспектива органически свойственна фотографии. Законы оптики, управляющие прохождением света через объектив, переносят на фотоэмульсию изображение внешнего мира в полном соответствии с требованиями перспективы. Удаленный предмет получается меньшим, чем такой же самый, но более близкий. Более того, на фотографии ближние предметы заслоняют то, что находится за ними. Все это позволяет в какой-то мере судить о расстояниях. Но то еще не истинная объемность. Так мы видим, закрыв один глаз.

Виктор переводил взгляд с фотографии шмеля на репродукцию старинного японского пейзажа, задумчиво теребил дужку своих очков.

Объемное зрение, думал Виктор, результат взаимодействия физики и физиологии. Сама физика здесь бессильна. Не слишком ли многого хочет аспирант?

Ведь любой человек знает, зачем у нас два глаза. Каждый из них видит со своей точки зрения. Немного справа и немного слева. И мы не отдаем себе отчета в том, чем отличаются картины, видимые каждым из них. Обе они попадают в мозг, и он без участия сознания анализирует незначительные различия между обеими картинами и таким путем создает представления объемности.

Ни в учебниках, ни в энциклопедиях Виктор не смог обнаружить, кто и когда впервые осознал все преимущества, даваемые высшим животным тем, что они обладают двумя глазами. Не нашел он и того, когда был изготовлен первый бинокль, объединивший две галилеевы зрительные трубы.

Готовя доклад для семинара о стереоскопическом зрении, Виктор познакомился с работами Гельмгольца, в середине прошлого века не только заложившего основы современной физиологии зрения, но и создавшего телестереоскоп – прибор, как бы раздвигающий глаза человека. С помощью двух пар параллельных зеркал, крайние из которых отстояли более чем на метр, наблюдатель видел удаленные предметы столь же объемными, как близкие видны невооруженными глазами. Теперь этот принцип положен в основу большинства оптических дальномеров. Первый микроскоп для наблюдения двумя глазами оказался еще на двести лет старше, хотя осуществить его, пожалуй, было много труднее.

– Замечательно, – говорил Виктор на семинаре, – что первый стереоскоп, прибор для рассматривания объемных изображений, старше фотографии. Некий Р. Смит еще в 1738 году опубликовал специально изготовленный им парный рисунок и описал простенькое приспособление, способное создать у смотрящего через него на рисунок полную иллюзию объемности. Кто из нас не забавлялся подобными игрушками в детстве!

Виктор дотошно готовился к докладу, он даже блеснул небрежным упоминанием о том, как легко изготовить стереопару при помощи обычного фотоаппарата: достаточно сделать два снимка, не забыв перед вторым снимком сместить аппарат. Конечно, объект съемки должен оставаться неподвижным. Мозг делает свое дело безошибочно. Одновременность не обязательна даже при рассматривании. Можно достаточно быстро заслонять то один, то другой глаз. Важно лишь, чтобы в каждый глаз поступала соответствующая информация. Не следует только путать места правого и левого изображения.

Но тут взял слово Юрий Николаевич, и энтузиазм Виктора потух.

– Дело в том, – сказал Денисюк, – что после первого увлечения магией стереоскопа его популярность упала, хотя в продаже имеются и специальные стереофотоаппараты, и удобные стереоскопы. Слишком хлопотно. И несомненно, большая часть удовольствия пропадает, когда приходится смотреть в одиночку. Человек – общественное существо. Это проявляется даже в такой мелочи, как рассматривание фотографий.

– А кино? – зашумели в зале. – Вы забыли кино.

– Кино, конечно же, указало выход из тупика.

– Но частично. Кино стремилось овладеть стереоскопией, но отвергало все связанное с осложнениями для зрителя, даже специальные очки.

– Позвольте, вы забыли растровые системы, – это был ударный пункт выступления Виктора. Тысячи тонких проволочек, натянутых специальным образом, заслоняли от правого глаза то, что предназначено левому, и наоборот. Нужно было лишь слегка подвигать головой, чтобы поместить глаза в правильное положение.

– Каждый, хотя бы раз посетивший стереокино, несомненно, получил большое удовольствие от движущихся объемных изображений.

– Недавно принцип растра, – сказал Виктор в заключение, – вновь был применен для получения неподвижных объемных изображений. Я говорю об объемных открытках, появившихся теперь во многих странах. Правда, получить на них эффект стереоскопии можно лишь при соблюдении большой точности, доступной только в промышленных условиях, и делается это далеко не просто. Сдвоенное изображение надо наносить на прозрачную специальную пластмассу, на поверхности которой заранее отпрессованы тысячи мельчайших параллельных полосок. Они почти незаметны глазу, – уверял докладчик, – но их можно ощутить, проведя по поверхности ногтем. Они направляют каждому глазу ту часть изображения, которая предназначена именно для него. Вам кажется, что внутри толстого прозрачного слоя висят объемные предметы. И, взяв изображение в руку, вы с удивлением ощущаете, сколь оно тонко. И сколь сильна зрительная иллюзия, основанная на том, что мозгу в конечном итоге безразлично, каков источник поступающих к нему сигналов. Он в этих случаях как бы берет на вооружение пушкинские строки: «Ax, обмануть меня не трудно, я сам обманываться рад».

Если Виктор и не ожидал оваций, то и возражений он не ожидал. Его помощниками были солидные фолианты и даже вот высказывания классиков. Но Денисюк снова поставил точку над «i»:

– И все-таки стереоскопия не имеет будущего в получении объемных изображений. И не может его иметь. Уже задолго до новейших достижений стереоскопии было ясно, чего она не способна дать ни при каких условиях. Рассматривая стереоскопическую пару через стереоскоп или через современный растровый экран, вы видите изображение только так, как его зафиксировал фотоаппарат. Только с той точки зрения, где стоял этот аппарат. Вы не можете взглянуть на предмет немного со стороны, даже если при этом могли бы открыться самые интересные детали. И ясно почему: на пластинке зафиксировано только то, лишь то, что «видел» объектив фотоаппарата. Все, что прошло мимо, безнадежно потеряно. Но потеряна и часть информации, попавшая на объектив. Она могла быть зафиксирована, но пропала втуне. Простите, но я снова повторяю, мы все еще не умеем фиксировать всю информацию, переносимую светом.

Горшки и боги

Виктор старался не пропустить ни одной возможности понаблюдать за работой Денисюка. Точность и изящество опытов аспиранта доставляли чисто эстетическое наслаждение. Он был так углублен в работу, что его не отвлекало присутствие посторонних – только бы не мешали. А Виктор и не считал себя посторонним, как-никак, а он прикомандированный студент. Но иной научный сотрудник всем своим видом давал понять: не болтайся под ногами. Или считал студентов даровой рабочей силой, способной лишь таскать аккумуляторы, сверлить дырки и подсоединять провода.

Денисюк понимал и ценил любознательных. Он на собственном опыте убедился в том, что развитие ученого во многом зависит от условий, в которые он попадает, от людей; его окружающих. У Виктора сложилось впечатление, будто Денисюк немного завидует ему, студенту университета. Виктор знал, что Денисюк тоже стремился поступить в университет, но жизнь распорядилась иначе.

Денисюк родился в Сочи в семье шофера и официантки. Отец рано ушел из жизни маленького Юры. Вскоре ему пришлось распроститься и с солнечным югом. Мать переехала в Ленинград. Здесь он поступил в школу, здесь на мальчика обрушилась война. Целый год они оставались в блокированном городе. Пережили все, что пришлось на долю мужественных ленинградцев. В сорок втором их эвакуировали. Сильный организм пятнадцатилетнего Юрия быстро справился с последствиями блокадных тягот. Он поступил в техникум. К тому времени в нем по-настоящему расцвела любовь к физике, склонность к которой возникла еще в школе. Юрий в свободное время читал вузовские учебники физики, углубленно изучал математику.

Как все мальчики военных лет, он торопил время, чтобы скорей стать взрослым, попасть в авиационные или в танковые войска, а физика и математика и знание мотора могли быстрее открыть ему двери военкомата. Но советский народ добился победы без его участия. В мирной жизни возникло множество неотложных дел.

Физика исподволь входила в его жизнь. Сперва, это было юношеское увлечение, сохранившееся и после того, как он возвратился в Ленинград, где окончил судостроительный техникум. Увлечение перешло в истинную страсть, когда обстоятельства заставили его отказаться от университета и поступить на работу.

Книги Поля де Крюи, не имевшие никакого отношения к физике, чудесным образом разжигали страсть к науке.

Мать сыграла решающую роль в жизни Денисюка. От нее он унаследовал и способности, и стремление к знаниям. Она стала инженером, и хорошим инженером, и он не мог от нее отстать. Денисюк поступил на вечернее отделение Ленинградского института точной механики и оптики. Иного выбора не было. Здесь существовал физический факультет, а на физическом факультете университета отсутствовало вечернее отделение.

Виктор знал, что даже после окончания института Денисюк не смог заняться физикой. Его направили в Государственный оптический институт, и он попал в лабораторию, где разрабатывали новые оптические приборы. Но физикой здесь занимались другие. Денисюк должен был решать инженерные задачи. И он решал их. Долг, прежде всего. Но были и свободные часы. Они принадлежали физике. Он продолжал готовить себя для физики.

Время от времени, когда Денисюк проявлял свои пластинки и полная темнота заставляла Виктора сидеть без дела, Денисюк делился с ним своими мыслями:

– Создавать новые оптические приборы, – говорил он, – сложно и интересно. Сложно потому, что они достигли высокого совершенства и каждый дальнейший Шаг здесь труден. Интересно, ибо только преодоление трудностей может увлечь по-настоящему. То, что дается легко, быстро надоедает. Мне как инженеру приходилось выполнять много простых заданий. Они были необходимы для лаборатории, но мне хотелось чего-нибудь посложней.

– А в это время, – продолжал Денисюк, – мне попался научно-фантастический рассказ. Его герой научился создавать, копии реальных предметов, не изображения, а именно копии. Точные копии, неотличимые от оригинала. Меня как обухом ударило. Возможно, я подсознательно стремился к чему-то подобному. Зерно попало в подготовленную почву. Мне казалось, я могу, я должен этого достичь. Конечно, такое в план не включишь. И я решил идти в аспирантуру. Мне повезло. Я поговорил с Евгением Федоровичем Юдиным, замечательным человеком и опытным фотометритом. Он меня понял и согласился быть моим руководителем. Правда, потом он признался, что не поверил моим бредням. Просто он увидел – человек горит, его не переубедишь. Творческий ученый, считал Евгений Федорович, всегда полезен. «Пусть Денисюк перебесится, – думал он, – погоняется за химерами, а потом возьмется за реальное дело». Но и потом, когда дело сдвинулось, он не мешал мне идти своим путем. Интересовался. И я, рассказывая ему о трудностях и препятствиях, легче находил пути их преодоления.

– Великое дело, – закончил Денисюк, – внимательный, вдумчивый слушатель. Он, как катализатор, возбуждает умственные реакции.

– Значит, вы пришли в науку от фантастики? – спросил Виктор.

– Считай что так. Но скорее от философии. Я еще в вузе увлекся ленинской теорией отражения. Знаешь, как у него. Развитие от простейшей формы отражения, свойственной мертвой природе, к мышлению, высшей форме отражения. Мне захотелось найти способ отображать реальные предметы так полно, чтобы в отображении содержались мельчайшие особенности оригинала. Фотография не способна к этому, она показывает лишь плоские мертвые тени.

Иероглиф или письменный текст дают в каком-то смысле больше. Грамотный читает «собака» или «орел» и представляет себе образ до волоска, до перышка.

Я хотел при помощи оптики придумать такой код, такой шифр, чтобы он поддавался расшифровке без помощи воображения. И я нашел его в самой основе оптики. В свойствах световых волн, в законах волновых полей.

Виктору иногда казалось, что Денисюк в своем увлечении забывает о его присутствии. Он слышал не рассказ, не объяснение, а поток мыслей. Он становился участником творческого процесса. Денисюк как бы вновь и вновь переосмысливал свою работу, ее основы и детали. А Виктор лишь «отражал» мысли ученого, облегчая ему переход от одного шага рассуждений к следующему. Каждый предмет отражает свет по-своему, и свет уносит информацию о предмете. Очень подробную информацию о его форме и цвете, о способности поглощать и отражать различные световые волны. Фотографический объектив и эмульсия записывают лишь малую часть этого потока информации.

Гораздо большую информацию можно извлечь, сравнивая структуру волны, отраженной предметом, с падающей волной, с волной, бегущей от источника света и еще не искаженной никаким предметом... Не искаженной предметом... предметом...

Вот он, скачок, без которого невозможен прорыв в неведомое!

В этой мысли подсознательно сплелись и теория отражения, и волновая теория света. А явление интерференции – взаимодействия двух волновых полей, – открытое в начале прошлого века Томасом Юнгом, прямо указывало, как сравнивать поле падающего и отраженного света. Нужно наложить их одно на другое, заставить интерферировать и зафиксировать на фотоэмульсии результат. И потом... Что делать потом – ясно. Нужно лишь вспомнить о зонной пластинке Френеля. Пластинке с нанесенной на ее поверхность системой концентрических колец, размеры которых были вычислены Френелем. Плоской пластинке, способной фокусировать свет, как выпуклая линза. Пластинка действует как линза!

Нет, не напрасно он, Денисюк, занимался оптикой. Теперь она должна отплатить ему сторицей и облегчить дальнейшее!

Денисюк хорошо знаком с этим видом оптической техники. Зонная пластинка Френеля представляет собой искусственный образ линзы, зашифрованную линзу. Чтобы расшифровать запись, достаточно направить на нее пучок света!

Для того чтобы зафиксировать на фотоэмульсии ту информацию, которая содержится в рассеянном свете, подходит далеко не всякий свет. Более того, ни один из источников, известных людям, не давал света нужного качества. Свет, испускаемый ими, подобен шуму. Энергия в нем может быть очень большой, но отсутствует порядок, свойственный звуковым волнам, порождаемым скрипкой, или тем волнам, которые бегут по морю в тихую погоду.

Денисюк получал упорядоченные световые волны, вырезая узкие спектральные линии из излучения мощных ртутных ламп.

И Виктору казалось, что тот ходит по замкнутому кругу. Стремясь все более упорядочить используемые волны света, он должен вырезать все более узкую спектральную область, а при этом неизбежно уменьшается поступающая в его распоряжение световая энергия. И все длиннее становится время, необходимое для образования шифра – интерференционной картины. И несмотря на все усилия, интерференционные картины при таком свете можно было получать только в совершенно затемненной комнате и лишь от небольших предметов, стоящих очень близко от приборов, загромождавших стол Денисюка.

Когда Виктор впервые попал в лабораторию к Денисюку, тот тратил большую часть своего времени совсем не на оптические эксперименты. Появился новый Денисюк, не физик, а химик и технолог, специалист по разработке и изготовлению фотоэмульсий. Обычные фотоэмульсии способны воспроизвести десятки отдельных линий на каждом миллиметре. Денисюку-оптику были необходимы эмульсии с разрешающей способностью в сотни, а лучше – тысячи линий на миллиметр. Но и это не все. Обычные эмульсии дают изображение только в тонком слое. Но то, что задумал Денисюк, требовало толстых эмульсий, пропускающих свет на достаточную глубину. И Денисюк-оптик беспощадно браковал результаты Денисюка-химика до тех пор, пока ценой огромных усилий не были созданы пригодные эмульсии.

Виктор как-то спросил:

– Почему вы не закажете эмульсии специалистам?

– Такие эмульсии пока нужны только мне. Специалисты и без того загружены важными работами. Но ничего – не боги горшки обжигают.

Цвет без красок

Рассказывая как-то о своем методе, Денисюк упомянул о цветных фотографиях Липмана. Он не думал, что заденет что-то такое в душе своего добровольного помощника и тот начнет по вечерам задерживаться в лаборатории. Виктора почему-то захватил способ получения цветных фотографий с помощью черно-белых эмульсий. Ничего нового, ничего сверх обычного в нем не было. И никаких особых перспектив он тоже не предвещал. Теперь этот метод цветной фотографии давно вытеснен новыми, использующими современные многоцветные эмульсии. Но что-то в липмановском способе Виктора увлекло.

Виктор даже изготовил одну такую фотографию, Самым сложным оказалось сделать специальную кассету, в которую надо было залить ртуть. Пластинка вставлялась в кассету эмульсией внутрь и плотно обжималась по краям. Затем в кассету наливалась ртуть.

Ртуть служила зеркалом, отбрасывающим свет, прошедший сквозь эмульсию, обратно в нее. Обойтись без ртути было невозможно, и Виктору пришлось проделать эту работу в вытяжном шкафу химической лаборатории.

После того как все было закончено, Виктор проявил пластинку. С тех пор она стоит у него на столе. В ярком свете солнца или обычной лампы на ней можно видеть ярко-красную розу на фоне изумрудной зелени листьев.

Некоторые из знакомых Виктора ни за что не хотели поверить, что эта замечательная фотография сделана не на цветной эмульсии. Своим товарищам-студентам он мог доказать это при помощи микроскопа, сквозь который в эмульсии были видны лишь обычные черные пятнышки. Но не оптики ему не верили.

Для того чтобы по-настоящему понять причину чуда, нужно посмотреть на срез эмульсии сбоку. И это тоже не просто. Увеличение должно быть большим, предстояло рассмотреть структуру, размеры которой составляют доли микрона.

Нет, никаких красок скептики по-прежнему не видели. Однако в расположении черных точек нельзя было не заметить неожиданной регулярности. Оказывается, они группируются в слои, отстоящие один от другого на одинаковых расстояниях. Правда, эти расстояния в разных местах эмульсии различны, различна и плотность слоев, но бросалась в глаза почти полная их параллельность во всех частях эмульсии. Не оптику это, конечно, ни о чем не говорило. Но постигшим законы света открывалась еще одна замечательная особенность оптики: фотопластинка, экспонированная по методу Липмана, отличается тем, что ее черно-белая эмульсия зафиксировала не только контуры изображения букета роз, сформированного объективом, но и записала информацию о цвете отдельных частей изображения, причем так, что информация непосредственно преобразуется в соответствующие цвета при простом освещении пластинки белым светом.

Различия яркости объекта, как и в обычной фотографии, отображаются на пластинке степенью почернения соответствующего участка пластинки. Информация о цвете записана в чередовании черных и белых слоев, перемежающихся в толще эмульсии. Слои фиксируют стоячие световые волны, образованные взаимодействием волн, пришедших от объекта, и отраженных волн, отброшенных им навстречу зеркальным слоем ртути, расположенным за эмульсией. Это хитрый код, в котором записана информация о цвете предмета, и Липман сумел понять его и использовать.

Нечто подобное каждый видел и на поверхности воды, когда достаточно длинный цуг волн отражается от какого-либо протяженного неподвижного препятствия. На поверхности как бы застывает стоячая волна, но это волна не простая. Отраженная волна является продолжением падающей. Это две части одной волны, поэтому они строго согласованы между собой. Они взаимно когерентны, скажет физик, настолько же, насколько когерентны различные части самой падающей волны. Непосредственно у препятствия частицы воды практически неподвижны. На некотором расстоянии от него амплитуда колебаний максимальна. Это пучность стоячей волны. По мере удаления от препятствия пучности следуют на равных расстояниях одна от другой, отделенные узлами – областями, где вода остается практически неподвижной.

Расстояния между пучностями равны расстояниям между узлами. Они вдвое меньше длины волны, бегущей по свободной поверхности воды вдали от препятствия, куда не доходят отраженные волны.

Желая передать краски окружающего мира, Липман нашел способ фиксировать в фотоэмульсии стоячие волны света. Поверхностный слой эмульсии, примыкающий к зеркалу, остается прозрачным. Темные слои, отделенные равными прозрачными промежутками, – следы пучностей световых волн, то есть тех областей, где амплитуды падающих и отраженных волн складывались и интенсивность фотохимического действия была максимальной. Расстояния между слоями равны половине длины световой волны, для зеленого цвета равной 0,5 микрона, для красного примерно 0,6, для фиолетового – 0,4. Поэтому, в зависимости от цвета соответствующего места изображения меняется расстояние между темными слоями на липмановской фотографии.

Именно в этих расстояниях зафиксированы сведения о расцветке изображения. Эта тонкость, эта ювелирная работа света и покорила Виктора. Изящное сплетение пучностей и узлов как бы ждало дешифратора. Казалось, этот код никому не понять. А ключ к расшифровке липмановских фотографий был тем не менее очень прост. Нужно подставить их под пучок яркого белого света. Пластинка отразит его так, что от частей, в которых слои отстоят на 0,25 микрона, побегут интенсивные волны зеленого цвета, там, где эти слои отстоят на 0,3 микрона, мы увидим красный свет, и так далее. Каждый участок пластинки действует как фильтр, оптический фильтр, выделяющий из хаоса белого света лишь волны, длина которых вдвое больше расстояния между слоями эмульсии. Только эти волны отражаются от каждого из слоев согласованно, так что каждая отраженная волна складывается с остальными, отраженными от других слоев. Волны, длина которых не соответствует расстоянию между слоями, отражаются от них хаотически. Каждая часть «чуждого» света, отразившаяся от различных слоев, имеет свою фазу, скажет физик. Поэтому, налагаясь, они не усиливают друг друга, а, смешиваясь между собой, образуют неопределенный сероватый фон, смазывающий окраску липмановских фотографий. Впрочем, качество этих фотографий ухудшалось и природой самой фотоэмульсии. Зернышки серебра на ней обычно слишком крупны, чтобы в черно-белом коде зашифровать всю световую гамму реального мира.

Как-то Денисюк в присутствии Виктора обсуждал со своими товарищами, аспирантами Кушпилем и Субботиным, проблемы научного творчества. Это был сложный и запутанный разговор. Виктор запомнил из него только один факт, рассказанный Денисюком.

Оказывается, Липман тоже мечтал о способе точного воссоздания объемной структуры предметов и даже провел большую работу в этом направлении. Но чем объяснить, что он, человек, первым сумевший зафиксировать в фотоэмульсии распределение волновых полей, стоявший на прямом пути к голографии – к открытию, которое вскоре принесло Денисюку и звание доктора наук honoris causa, и звание члена-корреспондента АН СССР, и Ленинскую премию, избрал другой путь?

Он хотел создать «окно в пространство предметов» и первым предложил применить для этого растровую оптику, ту, на которой основано современное стереокино и стереооткрытки. Но что это по сравнению с голографией, до которой он так и не дотянулся. Липман свернул обратно с перспективного пути волновой оптики в тупик геометрической оптики и уже не смог из него выйти.

Копия мира

Денисюк тратил время и силы на создание толстослойных эмульсий, объединяющих большую разрешающую способность с большой чувствительностью, вовсе не для усовершенствования цветных фотографий Липмана. Денисюк, реалист и настоящий ученый, отнюдь не стремился конкурировать таким путем с дешевыми и удобными методами современной цветной фотографии.

Он шел к более важным и трудным целям. Он стремился зашифровать в эмульсии обширную информацию о внешнем мире. Он хотел научиться воссоздавать предметы во всей их объемности. Хотел реальных копий. Хотел фантастику сделать былью.

Конечно, глядя на установку Денисюка, Виктор не без основания вспомнил о методе Липмана. Так по одному слову иногда вспоминаешь целое стихотворение.

Однако в методах Денисюка и Липмана общим было только одно – в обоих стоячие волны света фиксируются в толще фотографической эмульсии. Все остальное различно – и цель, и метод получения стоячих волн, и сам источник света. В установке Денисюка не было не только фотоаппарата, без которого невозможно получение липмановских фотографий, но даже фотографического объектива. Зато ему приходилось защищать свою установку от любого постороннего света, работать в затемненной комнате.

Виктора поражала простота этой установки. Больше всего места на массивном столе занимала мощная ртутная лампа в непроницаемом металлическом кожухе, охлаждаемом водой. Свет лампы выходил наружу лишь через специальный фильтр, пропускающий только чрезвычайно узкую часть спектра. Этот свет делился на две части. Одна попадала на плоское зеркало и отражалась от него на фотографическую пластинку. Другая часть освещала миниатюрную шкалку, укрепленную на специальном штативе. На шкалке были видны тоненькие черточки и маленькие цифры.

Из полной темноты призрачным зеленым светом вырваны эта шкалка и прямоугольная фотопластинка. Больше ничего не видно. Все случайные блики поглощаются тяжелыми черными занавесями. Даже присутствие зеркала и самой лампы угадывается лишь по блеску случайных пылинок. Долго, очень долго длится экспозиция, А потом пластинка проходит обычные процедуры проявления, фиксирования, промывки и сушки.

Виктор внимательно рассматривал эти пластинки, стараясь найти на них какие-нибудь признаки изображения. Но тщетно. Пластинки казались серыми, будто они были засвечены неопытным фотографом. Правда, под микроскопом на них обнаруживались непонятные призрачные узоры. Но и микроскоп не показывал ничего похожего на шкалку, образ которой должен был быть зафиксирован на пластинке.

Однако стоило осветить эту пластинку ярким солнечным светом или просто светом сильной электрической лампы, как происходило чудо. За пластинкой возникала шкалка, точно такая, как та, что стояла здесь несколько часов назад, а теперь лежит в коробочке, спрятанной в ящике стола.

Виктора поражало, что шкалка казалась освещенной зеленым светом, хотя свет, падающий на пластинку, был белым. Но еще более неожиданным было другое. Передвигая голову из стороны в сторону, можно было разглядывать шкалку с разных сторон. Она казалась столь реальной, что хотелось потрогать ее рукой, но протянутая рука встречала лишь пустоту. Там, где глаза ясно видели шкалку, ничего не было!

Денисюк торжествовал, наверное, не менее, чем известный всему свету художник, нарисовавший на своей картине муху так, что каждый, кто подходил к картине, хотел ее смахнуть. Говорят, что эта муха родилась в результате соревнования двух гениев, стремившихся превзойти друг друга в реалистичности своих картин.

У Денисюка пока не было соперника, и он не мог столь вещественно убедиться в силе своего искусства. Впрочем, соперник у него был, правда на другом конце Европы, но Денисюк пока о нем ничего не знал и не мог сравнить свои результаты и его.

Пока он радовался один. Ему удалось зафиксировать образ предмета и воспроизвести его! Пусть на самой пластинке и не видно ничего похожего на объект. Но и слово, написанное на бумаге, ничем не похоже на то, что оно обозначает. Однако оно по-своему отображает мир, и человеку достаточно прочесть его, чтобы воссоздать его смысл. Пластинка Денисюка делала почти то же. На ней не было обычного изображения, но при подходящем освещении удивительно жизненное изображение появлялось за пластинкой.

Денисюк очень сожалел, что не смог показать такую пластинку Юдину. Евгений Федорович долго и сильно болел, а потом скончался от рака горла незадолго до окончания решающего опыта. Он успел увидеть лишь первое подтверждение правильности идей своего аспиранта. Денисюк изготовил на своей установке образ вогнутого зеркала, и этот образ вел себя как настоящее вогнутое зеркало, сводил лучи света в точку. Как и ожидал Денисюк, образ зеркала напоминал зонную пластинку Френеля, ведь оптические свойства выпуклой линзы и вогнутого зеркала почти одинаковы.

Но если зонную пластинку обычно изготавливали при помощи циркуля, то Денисюк получил свой «шифр» зеркала чисто оптическим путем. И шифр этот был не плоским, как обычная зонная пластинка, а многослойным, объемным. И благодаря этому пластинка Денисюка отбирала и фокусировала только лучи того цвета, при помощи которого на ней был получен зашифрованный образ зеркала.

И Юдин, уже тяжело больной, поздравил своего аспиранта с замечательной удачей.

Предшественник

Смерть Юдина была тяжелым ударом для Денисюка. В то время он все еще считался чудаком, и его работы не принимались всерьез.

Вскоре Денисюку пришлось перенести и еще одно потрясение. Один из сотрудников оптического института, возвратившись из заграничной командировки, привез сборник аннотаций, докладов, прочитанных на конференции, в которой ему пришлось участвовать. В аннотации одного из докладов, показавшейся ему интересной, Денисюк обнаружил ссылку на статью некоего Дениса Габора. Что зацепило его? Он поспешил в библиотеку и, о ужас, прочитал в четкой и ясной форме то, что он во многих вариантах заносил в свою лабораторную тетрадь!

Те же мысли о несовершенстве фотографии, те же идеи о возможности фиксации волнового поля объекта. Денисюку показалось, что он повторил работу, выполненную Габором за десять лет до того...

Он отыскал все доступные ему работы Габора. Сидел не разгибаясь несколько дней и ночей... И у него отлегло от сердца. Да, они стремились к одной цели, исходили из тех же предпосылок, но пошли различными путями. В их работе много общего. Но были и чрезвычайно важные различия. И не просто различия. Каждый из них добился несколько иного.

Денисюк считал, что лучший способ понять сложную проблему – это попытаться рассказать о ней другому. Поэтому, помня добросовестность и тщательность доклада, сделанного Виктором на предыдущем семинаре, он предложил Виктору подготовить доклад на студенческом кружке о работах Габора и охотно помогал ему.

Денис Габор, член Королевского общества Великобритании, обладатель многих научных степеней и званий, родился в Будапеште, где после школы приступил к изучению электротехники. Закончил специальное образование в Берлине и в 1927 году получил диплом доктора-инженера за работу «Запись переходных процессов в электрических цепях при помощи катодного осциллографа». В этой работе он первым применил для записи переходных процессов магнитную линзу с железным сердечником и бистабильную электронную схему. И то и другое сейчас широко применяется и в специальных устройствах, включая вычислительные машины, и в большинстве телевизоров.

Габор многие годы работал в Берлине, исследуя электрический разряд в газах, в том числе и то, что теперь называется плазмой. В ходе этих работ он изобрел способ соединять металл со стеклом, применяя тонкие ленточки из молибдена.

Вскоре после захвата власти фашистами Габор покидает Берлин и переселяется в Англию. Здесь он изобретает катодную трубку с памятью, широко применяемую и во многих вычислительных машинах, и в радиолокаторах. Здесь в результате длительной работы он изобрел новый способ получения изображений.

В то время Габор считал важнейшей задачей усовершенствование электронного микроскопа. Электронный микроскоп отличается от обычного не принципом действия, а лишь тем, что в нем изображение образуется не световыми волнами, а электронами, попадающими на фотографическую эмульсию после того, – как они прошли через исследуемый объект. В том месте эмульсии, куда попал электрон, после проявления возникает почернение. Там, куда попало больше электронов, почернение оказывается более интенсивным.

Линзы, используемые в электронном микроскопе, конечно, отличаются от оптических линз. Это магнитные или электрические линзы, обмотки или электроды которых создают соответственно магнитные или электрические поля, искривляющие траектории полета электронов, подобно тому как оптические линзы искривляют световые лучи. Несмотря на существенное физическое различие этих линз, результаты их действия оказываются весьма близкими.

Электронный микроскоп, как и оптический, формирует в плоскости, в которой расположена фотоэмульсия, резкое и четкое изображение только от малой части исследуемого объекта. Резкие изображения остальных частей могут быть получены соответствующим перемещением эмульсии или изменением тока через магнитные линзы или напряжения на электрических линзах. Одновременно получить на эмульсии резкое изображение всей толщи объекта невозможно. Не сфокусированные части объекта дают на снимке фон, лишь ухудшающий качество изображения и не дающий никакой дополнительной информации об объекте.

Габор вновь и вновь возвращается к мысли о том, что поток электронов, прошедших сквозь объект, несет в себе полную информацию о всех взаимодействиях, испытанных электронами в толще объекта. И в нем крепло стремление найти путь к использованию такой информации. Он ясно понимал, что успех, достигнутый при решении этой специальной задачи, будет иметь гораздо более широкое значение. Ведь и свет, падающий на объектив фотоаппарата или на зрачок глаза, содержит обширную информацию о всех предметах, от которых исходит свет. Но ни глаз, ни фотоаппарат, ни электронный микроскоп не могут одновременно образовать резкого изображения всех деталей независимо от их местоположения. Такова природа образования изображения при помощи линз. Линзы отображают на плоскости только плоские объекты, расположенные в определенных «сопряженных» плоскостях. Почернение фотоэмульсии пропорционально интенсивности воздействующих потоков фотонов или электронов. В результате фотоэмульсия фиксирует лишь ничтожную часть информации, переносимой светом или электронами.

Габор первым противопоставил скудость фотоизображения богатству информации, содержащейся в световом или электронном потоке. Он же указал путь преодоления этого разрыва.

Удача Габора

Путь, предложенный Габором, и сейчас кажется парадоксальным. Он состоял из нескольких скачков.

Первый – отказ от применения линз, ибо, формируя изображение одной плоскости объекта, линзы приводят к потере информации об остальной, причем большей, его части.

Второй – фиксирование на фотоэмульсии не изображения объекта, а по возможности всей информации о нем, переносимой пучком электронов или лучами света.

Третий – использование записанной информации для того, чтобы впоследствии создавать пучки света, несущие в себе всю эту информацию.

И четвертый – формирование при помощи этих пучков света изображения того объекта, информация о котором была зафиксирована в первой стадии процесса.

Габор подчеркивал, что радикальное отличие нового метода от обычной фотографии, которая записывает на фотоэмульсии изображение предмета в один прием, состоит в том, что процесс получения изображения разбит на два этапа, происходящих в различные моменты и совершенно независимо. Сперва на фотоэмульсию записывается информация об объекте, содержащаяся в потоке света или электронов, взаимодействующих с объектом. После проявления записанная информация может храниться сколь угодно долго, и, когда нужно, можно приступить ко второму этапу – воссозданию изображения на основе этой информации. Габор назвал свой метод голографией, прибегнув, как обычно, к греческому языку. «Голограмма» означает «полная запись». Воссоздание изображения при помощи голограммы он назвал «реконструкцией».

Рассматривая голограмму невооруженным глазом или даже под микроскопом, на ней невозможно обнаружить никакого изображения объекта. Невооруженному глазу пластинка представляется просто испорченной. Под микроскопом на ней можно увидеть хаотическое скопление мельчайших пятнышек, образующих кое-где узоры, напоминающие рябь, поднимаемую порывистым ветром на поверхности тихого пруда.

Всякому, имеющему хоть малейший опыт в фотографии, ясно, что получить такую запись, попросту поместив фотоэмульсию на пути потока электронов или света, взаимодействовавших с объектом, нельзя. Фотоэмульсия, реагирующая лишь на интенсивность потока, сама по себе способна зафиксировать только ничтожно малую часть информации, заключенной в этом потоке. Наивная попытка такого рода неизбежно приведет к порче пластинки. Она будет засвечена, скажет фотолюбитель.

Для того чтобы записанная информация оказалась более полной, необходимо принять особые меры. Заслуга Габора определяется тем, что он не только понял слабость известных методов, но предложил новый и нашел путь его реализации.

Габор первоначально имел дело с электронным микроскопом. Но его идеи весьма универсальны и применимы ко всем случаям, когда информация о каком-либо объекте переносится волнами. Это могут быть и звуковые волны. Электронный микроскоп лишь частный случай. Для его действия существенно, что электроны подчиняются волновым закономерностям. Волновые свойства электронов доминируют в электронном микроскопе в такой же мере, как их корпускулярные свойства играют основную роль в работе радиоламп и фотоэлементов.

Готовясь к докладу на семинаре, Виктор внимательно изучил те статьи Габора, которые ему удалось найти.

Его, как и Денисюка, захватили работы Габора, заинтересовала сама личность ученого. Их обоих удивили и разносторонность интересов Габора, и широта подхода к казалось бы локальным проблемам. Он показался обоим личностью обаятельной и несколько даже загадочной. Даже биография шестидесятилетнего ученого была необычной и удивляла непоследовательной щедростью и расточительностью научных идей. И Денисюк и Виктор много думали о нем, гадали о его научных перспективах. Доклад получился общим.

Для того чтобы рассказать товарищам, как волновая сущность электронов проявляется в электронном микроскопе, и передать всю глубину идей Габора, Виктор смог обойтись без помощи квантовой физики и даже без ссылок на ранний вариант квантовой механики – волновую теорию де Бройля.

– Достаточно лишь принять, – сказал он в предисловии, – как опытный факт, что все то, что при работе оптического микроскопа является результатом действия световых волн, наблюдается и в электронном микроскопе. Все, за исключением масштаба. Ибо длина волн видимого света лежит в пределах от 0,4 до 0,8 микрона, в то время как волны, связанные с электронами, много короче.

Шутки русалки

Свой рассказ Виктор начал не со света, а с волн, бегущих по поверхности воды после падения камня. Он призвал на помощь маленьких гномиков, живущих на берегу пруда и неспособных видеть, что происходит в его середине.

– Если они будут, – говорил Виктор, – в безветренную погоду наблюдать за волнами, приходящими к берегу, они смогут узнать многое. Например, если волны имеют форму кусков окружности, значит они вышли из какого-то центра. Определив, как идут касательные в двух точках этой волны, гномы легко выяснят не только расстояние до точки, из которой вышла волна, но и ее точное положение на поверхности пруда.

– А теперь представьте себе, – продолжал он, – что русалка, живущая в этом пруду, захотела подшутить над нашими гномами, слишком хваставшими своим умением. Взяв у Амура его лук, она прицелилась в гнома, но вместо того, чтобы выпустить разящую стрелу, повернула лук горизонтально и ударила им по поверхности воды. Вы представляете себе, каким русалочьим смехом она залилась, когда бесхитростный гном сообщил ей точные координаты падения камня? И как она с самоуверенностью первокурсницы доказывала, что лук, согнутый по форме части окружности, возбудил волну, которую невозможно отличить от порожденной камнем, если наблюдать ее лишь в малом участке удаленного берега. И ведь она права, – уже серьезно заключил Виктор, – даже миллионы гномов, став плечом к плечу вокруг всего пруда, не смогут сказать, упал ли на поверхность воды камень, или красавица забросила туда свой обруч.

Мораль проста. Зная, какая информация передается волной, можно создать точно такую же волну иным способом и воспроизвести эту информацию еще раз, не повторяя события, бывшего ее первоначальным источником.

Два камня, одновременно упавшие в воду, возбудят две кольцевые системы волн. Чем больше камней, тем сложнее картина, образуемая волнами. Но, зная законы физики и проведя достаточно внимательно необходимые наблюдения, можно не только выяснить, в каких точках должны были падать камни, но и воспроизвести эти волны, воздействуй на поверхность воды шаблонами соответствующей формы.

Именно такую задачу поставил и решил Габор. Он нашел способ зафиксировать волну, взаимодействовавшую с объектом наблюдения, так, чтобы можно было впоследствии воспроизводить такую же волну сколь угодно много раз. Габор определил, насколько подробно необходимо фиксировать информацию о записываемой волне, чтобы реконструируемая волна воспроизводила сведения об объекте. Он указал, каким путем достичь поставленной цели, и на опыте подтвердил правильность нового метода.

Для того чтобы зафиксировать световую волну, отображающую объект, он ставил на ее пути фотопластинку и направлял на нее также часть света прямо от источника, освещавшего объект. Складываясь между собой, обе эти волны образовывали систему стоячих волн, которая и фиксировалась в эмульсии после ее проявления в виде системы мельчайших темных и светлых полосок. Так получалась голограмма. Потом Габор направлял на голограмму свет от того же источника. И происходила поразительная вещь. Темные полоски голограммы устраняли из света все лишнее, все то, что не несло информацию о предмете. А пропускали через себя лишь точно такие же световые волны, которые при получении голограммы попадали на нее от объекта.

Если теперь свет, прошедший через голограмму, попадал в глаза наблюдателю, у того создавалась полная иллюзия того, что там, за голограммой, имеется реальный объект.

– Однако, – закончил Виктор, – несмотря на несомненную перспективность работ Габора, они не получили развития. Более того, они оказались надолго забытыми. Причина заключалась в отсутствии источников света, необходимых для эффективной реализации идей Габора.

Теперь мы могли бы сказать: Габор, подобно хорошему разведчику, действовал далеко впереди общего фронта науки и техники. Да и доклад Виктора относился еще к долазерной эре. Развивая его рассуждения, можно охарактеризовать ситуацию, не изменившуюся и ко времени начала работ Денисюка, следующим примером. Дело обстояло так, как если бы русалка, желая еще раз подшутить над гномами, раздробила камень в мелкий порошок и высыпала его в воду. В результате до берега добежала лишь столь беспорядочная и слабая рябь, что гномы не смогли ничего понять даже с помощью наиболее совершенной электронной вычислительной машины.

Все источники света, существовавшие в период первых работ Габора, как, впрочем, и те, с которыми мы и теперь встречаемся в обычных условиях, возбуждают световые волны примерно так же, как песчинки в опыте нашей русалки. Каждая частичка раскаленной проволочки в лампе накаливания, каждый атом в газосветной лампе излучают световые волны независимо от других. Наш глаз приспособлен к этому. Он реагирует лишь на интенсивность света. Так же ведет себя фотоэмульсия. Им важна не тонкая структура приходящих волн, а только полная энергия, приносимая всеми волнами. Точнее, глаз и фотоэмульсия фиксируют распределение световой энергии по светочувствительной поверхности. Но сведений о распределении энергии совершенно недостаточно для того, чтобы воспроизвести еще раз совокупность волн, действовавших на фотоэмульсию.

Свои опыты Габор проводил со световыми волнами. Эксперимент с электронами был намного сложнее, да и необходимость в нем в существенной мере отпала. Другие исследователи к тому времени значительно усовершенствовали электронный микроскоп, так что несовершенная еще методика Габора оказалась неконкурентоспособной.

Однако, как показали дальнейшие статьи Габора, которые в изобилии появлялись в научных журналах, Габор не был обескуражен. В науке оставалось много нерешенных проблем, способных привлечь настоящего исследователя, и он занялся другими работами, надолго отказавшись от «неудачной». Габор построил структурный вариант теории информации, значительно отличающийся от статистической теории Винера – Котельникова – Шеннона. Он разрешил загадочный парадокс Ленгмюра, объяснив, почему и как электроны в низкотемпературной плазме способны неожиданно быстро приходить к равновесному – максвелловскому состоянию.

Добавим и то, о чем не мог знать Виктор, докладывая в далеком от нас 1959 году о работах Габора. Теперь Габору 70 лет, но он продолжает активно работать. Габор живо интересуется социальными проблемами. Его книга «Изобретая будущее», изданная в 1963 году и переведенная на семь языков, оказала заметное влияние на современную футурологию – науку, имеющую целью научно прогнозировать будущее развитие человеческого общества, включая науку и многое другое. Габор работает и над созданием плоского телевизионного экрана, который можно было бы вешать на стену, как картину...

Объемная голография

Внимательно изучив работы Габора и сравнив их со своими, Денисюк смог со всей ясностью установить и их идейную общность, и всю глубину их различия.

Общей была задача отображения объекта путем фиксации волнового поля, исходящего от объекта. Общим был метод фиксации, основанный на сравнении этого волнового поля с опорным волновым полем, например с полем сферических волн. Общим был способ расшифровки записи, при котором на голограмму (Денисюку понравился этот термин) направлялась волна такой же структуры, как и структура опорной волны, использованной при получении голограммы. Этим и ограничивалась общность. На ее фоне четко выступали различия. И были ясно видны причины, направившие ученых различными путями. Габор отталкивался от электронного микроскопа. Может быть, поэтому и в его оптических опытах опорный пучок света направлялся на пластинку с той же стороны, что и свет от объекта.

Денисюк, может быть бессознательно, опирался на опыт Липмана, у которого эти пучки падали на эмульсию с различных сторон. У Габора интерференционные максимумы отстояли сравнительно далеко один от другого, и в каждом участке эмульсии располагался лишь один из них. Можно сказать, что эмульсия давала плоский разрез поля стоячих волн. В опытах Денисюка интерференционные максимумы располагались очень близко один от другого, так что в толще эмульсии укладывалось много таких максимумов. В эмульсии фиксировалась объемная структура стоячих волн. При этом Денисюку, конечно, нужны были очень хорошие эмульсии.

Такие, казалось, незначительные различия вели к существенным последствиям. Расшифровывать плоские голограммы Габора, рассматривать зафиксированный на них объект можно было только при столь же монохроматическом (одноцветном) свете, как тот, при котором голограмма была получена. Но ограниченная чувствительность глаза приводила при этом к резкому ограничению объема пространства, отображенного голограммой. Для увеличения объема требуется сужать спектр, а применение узкополосных фильтров уменьшает яркость света, и глаз ничего не видит.

Объемные голограммы Денисюка можно рассматривать при ярком белом свете. Они сами, подобно липмановским фотографиям, отфильтровывают нужную часть спектра. А применение узкополосных фильтров при получении голограммы не ограничивается чувствительностью глаза. Оно приводит только к увеличению времени экспозиции. Одно это различие давало Денисюку возможность применять голографию там, где метод Габора был совершенно непригоден.

Но обнаружилось и второе существенное различие. При рассматривании голограммы Габора образовывалось сразу два изображения объекта – действительное, подобное тому, что видно через выпуклую линзу, и мнимое, аналогичное возникающему в обычном зеркале. Изображения налагались друг на друга, вызывая взаимные помехи.

Метод Денисюка приводил к одновременному восстановлению лишь одного изображения объекта. Это могло быть действительное изображение или мнимое, в зависимости от того, с какой стороны направлялся на голограмму пучок света при восстановлении изображения. Благодаря такому свойству объемной голограммы не возникало искажений, свойственных методу Габора.

Не менее отчетливо видны и различия между объемной голограммой Денисюка и цветной фотографией Липмана, объединяемыми тем, что та и другая основаны на возникновении в толще эмульсии пространственной системы, соответствующей распределению пучностей стоячих волн света. В фотографиях Липмана белый свет, отраженный от объекта, попадает на объектив, а объектив рисует плоское изображение объекта на эмульсин. Ртутное зеркало, отражая обратно свет, прошедший эмульсию, образует в ней систему стоячих волн. После проявления в эмульсии возникают слои почернения, выделяющие из белого света цвета, «окрашивающие» изображение. Все сведения о пространственной структуре объекта оказываются утраченными в результате комбинации специфических свойств объектива и фотоэмульсии.

В голограмме Денисюка зеркало, образующее опорный пучок света, вынесено на некоторое расстояние от эмульсии. Он использует упорядоченный фильтром одноцветный свет, выделенный из излучения ртутной лампы. И жертвует воспроизведением окраски объекта. Но он может обойтись без объектива, без непосредственного формирования изображения и благодаря этому получает возможность полностью фиксировать сведения о пространственной структуре объекта, о его форме.

Но Денисюк называет свою голограмму объемной не потому, что она способна воспроизводить объемность объекта, этого можно достигнуть и при помощи плоской голограммы Габора, а лишь потому, что его голограмма формируется во всем объеме толстослойной эмульсии. Только это позволяет ему реконструировать изображение в белом свете и избежать искажений, свойственных голограммам Габора.

В отличие от Габора Денисюк не прекращал работы в области голографии. Дело двигалось медленно. Основным препятствием оставалось отсутствие подходящего источника света. Но, может быть, Денисюк предчувствовал грядущую революцию в этой области. Ведь квантовая электроника уже тогда достигла высокого уровня развития. Денисюк не занимался ею. У него хватало своих проблем. Однако он внимательно следил за работами Басова и Прохорова, за статьями других советских и иностранных ученых.

Конечно, и для Денисюка известие о создании первого лазера было сюрпризом. Можно понимать глубокое родство между радиоволнами и светом, сознавать принципиальную возможность получения оптических волн, по упорядоченности – когерентности – не уступающих радиоволнам. Следить за тем, как Басов и Прохоров и Таунс с сотрудниками идут в этом направлении. Но кто мог предсказать, что именно в 1960 году, почти одновременно, Мейман создаст лазер на рубине, а Джаван с сотрудниками – лазер на смеси гелия и неона.

Естественно, первые лазеры были несовершенны. Но стала ясна близкая перспектива. Благодаря усилиям многих ученых она вскоре превратилась в реальность. Лазеры теперь столь стабильны, что они способны покрыть системой упорядоченных стоячих световых волн объемы размером во много кубических метров.

Именно этого и недоставало для нужд голографии. Теперь перед нею открылись огромные возможности.

Не приходится сомневаться в том, что Денисюк тотчас начал работать с лазерами. Первоначально они ничего не изменили в его методе. Просто стало удобнее и легче работать. Заменив лазером ртутную лампу с фильтром, Денисюк смог получать голограмму значительно быстрее. В ряде случаев, практически за мгновения. Очень существенное обстоятельство.

Теперь голография имеет дело не со специально изготовленными миниатюрными объектами и даже не с шахматными фигурами и игрушками, а с предметами обычной жизни и техники. А в технике скорость исследования играет не последнюю роль.

Лазер внес в работу Денисюка еще одно важное достижение. Объемная голограмма способна запомнить столь полную информацию об объекте, что, освещая его тремя лазерами, дающими синее, зеленое и красное излучения, Денисюк может получать голограммы, которые при солнечном свете дают не только объемное, но и многоцветное изображение.

Но Денисюк – реалист, умеющий разумно оценивать и нужды техники, и потребности искусства. Он отнюдь не стремился конкурировать таким путем с современными дешевыми и удобными цветными фотоэмульсиями, фиксирующими цветное изображение при естественном освещении, непосредственно кодируя его в трех основных цветах. Он увидел в лазерах средство получения изображений одновременно и объемных и цветных.

Конкуренты

Вскоре выяснилось, что объемная голограмма Денисюка не единственный возможный вариант лазерной голографии. Лазер оказался гибким орудием. И всякий смог применить его по-своему. Ведь и обычный карандаш в руках разных людей приводит к несходным результатам: один пишет роман, другой сонет, а третий докладную записку. Совершенно независимо от Денисюка после появления лазеров начали исследования в области голографии Эммет Лейт и Юрис Упатниекс, сотрудники Мичиганского университета. Они ранее специализировались в области радиофизики, и им было легко почувствовать принципиальную общность между идеями Габора и некоторыми методами, давно применяемыми в радиотехнике. Поэтому, несомненно, они смогли предвидеть чрезвычайно широкие возможности, открываемые перед голографией применением лазеров, этих полпредов радиотехники в царстве оптики.

Радиопередатчик излучает в пространство радиоволны вполне определенной частоты. Они в высшей степени когерентны. Но в таком виде радиоволны несут предельный минимум информации. Приняв их, можно лишь узнать, что передатчик включен, измерить его частоту и определить местонахождение.

Для того чтобы передать по радио какую-нибудь информацию, необходимо нарушить неизменность радиоволн, вплести в них информацию, подлежащую передаче. Для этого можно изменять амплитуду, частоту или фазу волны. Эта процедура называется модуляцией – амплитудной, частотной или фазовой соответственно. Саму радиоволну, над которой проводятся эти процедуры, радисты называют несущей.

Для того чтобы в месте приема извлечь из модулированной несущей информацию, которую она несет, необходимо провести операцию, обратную модуляции, – демодуляцию. В результате образуются сигналы, при помощи которых можно на экране телевизора восстановить передаваемые изображения или при помощи громкоговорителя восстановить переданный звук.

Одним из простейших методов, теперь почти не применяемых в радиотехнике, является гетеродинный прием. Модулированная несущая смешивается в приемнике с сигналом местного гетеродина. Этот опорный сигнал в точности совпадает по частоте с сигналом передатчика. Простое устройство вычитает его из принимаемого. В разности остается то, что было внесено в несущую в процессе модуляции. Остается информация, передача которой и является целью радиосвязи. Лейт и Упатниекс поняли, что применение лазера позволяет реализовать идеи Габора совершенно аналогичным путем.

Свет лазера, обладающий высокой степенью когерентности, играет роль несущей. При рассеянии света от объекта строгое постоянство лазерных волн нарушается. Это не что иное, как модуляция. Отдельные точки объекта по-разному воздействуют на амплитуду и фазу соответствующего участка волны. Каждая точка объекта превращает упавшую на нее часть волны в разбегающуюся сферическую волну, несущую в себе информацию об оптических свойствах этой точки поверхности объекта. Вся система разбегающихся от объекта волн содержит в себе наиболее полную, из возможной оптической, информацию об объекте. Если часть этих волн попадает в глаз, мы видим объект.

Лейт и Упатниекс поставили перед собой задачу зафиксировать на фотоэмульсии всю информацию, заключенную в свете лазера, рассеянном объектом. Они поставили фотопластинку так, чтобы на нее падала часть рассеянных волн, и при помощи зеркала направили на нее пучок света непосредственно от лазера. По аналогии с радиотехникой они назвали пучок опорным.

В процессе взаимодействия волны, пришедшей от объекта, и опорной волны метод Лейта и Упатниекса ни в чем не отличается от метода Денисюка. В той части пространства, в которой опорный пучок света налагается на рассеянный, возникает система стоячих волн. Стоячие волны воспринимают всю модуляцию, вносимую объектом в падающий на него свет. Таким путем полная информация об объекте переносится в стоячую волну. Но так как в каждую точку пространства попадают рассеянные волны от каждой из точек поверхности объекта, эта информация запечатлевается в любой точке стоячей волны. В том числе она фиксируется в каждой точке фотопластинки, помещенной там, где на нее может одновременно действовать и свет, рассеянный объектом, и опорный пучок.

Коренное отличие от метода Денисюка обнаруживается на стадии взаимодействия света с фотопластинкой. Лейт и Упатниекс, как и Габор, пользовались пластинками, покрытыми тонкослойной эмульсией. Поэтому на их пластинках не могли одновременно поместиться несколько пучностей стоячей волны. В них не получалось ничего похожего на многослойный оптический фильтр, позволявший Денисюку восстанавливать изображение при помощи белого света.

Тонкослойная эмульсия пересекает систему стоячих волн, как пила древесный ствол, обнаруживая скрытую систему годичных колец. В результате на эмульсии возникает сложный узор, в котором и заключена вся информация. Разница в толщине слоя фотоэмульсии привела, таким образом, к существенному различию в структуре голограммы, и это, конечно, сказалось на стадии восстановления изображения.

Лейт и Упатниекс должны были освещать полученную ими голограмму светом лазера, который выполнял ту же функцию, что гетеродинный сигнал в радиоприемнике. Пройдя через голограмму, свет оказывается промодулированным. Он воспринимает всю информацию, заключенную в голограмме. Смотря сквозь голограмму, можно увидеть, как и по методу Денисюка, объемное изображение объекта, как бы висящее в воздухе за голограммой. Возникают все эффекты, с которыми мы уже знакомы, но в отличие от предыдущего цвет изображения совпадает не с окраской объекта, а с цветом лучей лазера.

Существеннейшее отличие плоской голограммы от объемной проявится при попытке воспользоваться для восстановления изображения белым светом. Объемная голограмма Денисюка, действующая подобно многослойному интерференционному фильтру, отбирает из белого света ту длину волны, при помощи которой была получена голограмма, так что воспроизводимое изображение имеет точно тот же цвет. Плоская голограмма состоит из одного слоя, заполненного точками и линиями, образовавшимися в результате разреза плоскостью фотоэмульсии пространства, заполненного стоячей волной. Она не может справиться с этой задачей. При освещении белым светом она не даст ровно ничего.

Плоская голограмма, так же как объемная, содержит полную информацию о форме объекта, но в отличие от объемной голограммы плоская голограмма не содержит информации о цвете объекта.

Действительность и иллюзия

Однако это тот случай, когда слабость обращается в силу. Вследствие того, что плоская голограмма не обладает свойствами многослойного фильтра и нечувствительна к цвету объекта, мы можем восстановить записанное в ней изображение при помощи любого лазера, а не только тем, который применялся при получении голограммы. Более того, если при воспроизведении плоской голограммы применяется более длинноволновое излучение, чем при записи, изображение окажется увеличенным. Например, если голограмма получена в ультрафиолетовых лучах длиной 0,23 микрона, а изображение восстанавливается при помощи рубинового лазера, то увеличение равно трем. Для голограмм, получаемых в рентгеновых лучах или при помощи электронного микроскопа и восстанавливаемых в видимом свете, увеличение достигает сотен. О голографическом микроскопе, дающем еще большие увеличения, мы расскажем поподробнее ниже. Сейчас же постараемся понять, как такой метод создает цветную иллюзию.

Если плоская голограмма освещается белым светом, то в ней одновременно возникает множество изображений одного и того же объекта, каждое в одном цвете, причем масштабы изображений будут различными – крайне красные будут вдвое больше наиболее фиолетовых. Все изображения сольются в глазах наблюдателей в серую пелену.

И тем не менее при помощи плоской голограммы можно получить объемное трехцветное изображение. Для этого необходимо на одну голограмму записать информацию об объекте в трех цветах – синем, зеленом и красном – и при восстановлении изображения пользоваться одновременно тремя лазерами, дающими эти же цвета.

Второе существенное отличие плоской голограммы от объемной состоит в том, что она дает одновременно два изображения объекта – действительное и мнимое. Действительным изображением называется такое, которое образуется на экране, например на киноэкране или на фотопластинке, стоящей позади объектива. Мнимое изображение невозможно непосредственно наблюдать на экране. Его необходимо предварительно преобразовать в действительное при помощи выпуклой линзы. Но мнимое изображение можно видеть глазом, так как хрусталик, являющийся выпуклой линзой, преобразует его на сетчатке в действительное изображение. Дело опять в том, что плоская голограмма не обладает свойством многослойного оптического фильтра. Опорный пучок лучей лазера, служащий для восстановления изображения, попадая на плоскую голограмму, распадается на три пучка. (В действительности возникает еще несколько пучков, но они обычно очень слабы и не играют роли в формировании изображения.) Один из этих пучков является продолжением опорного. Он не имеет для нас никакого значения. Второй, идущий под углом к первому, состоит из расходящихся лучей. Они являются точной копией расходящихся лучей рассеянного света, исходивших от объекта в момент получения голограммы. Третий образует действительное изображение.

Большая интенсивность и высокая когерентность света лазеров позволили Лейту и Упатниексу расположить зеркало далеко от фотопластинки и так, что опорный пучок света, идущий от зеркала, падает на пластинку под углом к свету, рассеянному объектом. Благодаря этому при восстановлении голограммы действительное и мнимое изображения не накладываются друг на друга и не возникают искажения, свойственные первоначальному методу Габора.

Вот как рассказывал о голографии один из ученых, активно работающий над ее применением.

– Можно представить себе, – говорил он, – что лучи рассеянного света, которые при получении голограммы под действием опорного пучка были преобразованы в систему стоячих волн, «вмерзли» в голограмму. А опорный пучок, применяемый для восстановления изображения, «разморозил» их, и световые волны как ни в чем не бывало побежали дальше. Если теперь они попадут в глаза наблюдателя, он увидит точно такую же картину, как если бы объект стоял на прежнем месте. Объект будет казаться находящимся за голограммой, как за окном. И, перемещая голову, наблюдатель сможет рассматривать его с различных точек зрения, получая полное впечатление объемности реального объекта. Изображение, конечно, мнимое. Поставив на место глаза экран, мы не увидим на нем изображения. Но его можно получить, поставив между голограммой и экраном выпуклую линзу. Перемещая линзу относительно экрана, можно получить резкие изображения различных частей объекта, совсем так, как это происходит в фотоаппаратах или при пользовании подзорной трубой.

– Но это не все, – продолжал он, – от голограммы исходит еще один пучок света, содержащий информацию об объекте. Он состоит из сходящихся лучей. Они сходятся в точках, расположенных перед голограммой строго симметрично тем точкам, где за голограммой сходятся несуществующие продолжения расходящихся лучей пучка, образующего мнимое изображение. Если заполнить дымом ту область пространства, куда направлены сходящиеся лучи, то действительное изображение появится во всей своей естественности. Оно будет казаться висящим в этой дымке. И если вы расположитесь относительно голограммы там, откуда можно сквозь голограмму видеть мнимое изображение, возникнет удивительная иллюзия. Переводя глаза от облака дыма с висящим в нем действительным изображением на голограмму, за которой видно мнимое изображение, вы будете чувствовать себя как перед зеркалом. Действительное изображение будет казаться реальным объектом, а мнимое – его зеркальным изображением.

Мало того. Если туда, где расположено действительное изображение, поместить белый экран, на нем возникнет яркое и четкое изображение. Немного перемещая экран к голограмме и от нее, можно делать резкими те или другие части изображения. И это при полном отсутствии линз! Ведь линзы не применяются ни при записи, ни при воспроизведении голограммы.

При использовании объемных голограмм Денисюка тоже можно получить действительное изображение. Нужно только направить на нее опорный пучок света в противоположном, чем раньше, направлении. Пустив дым туда, где раньше сквозь голограмму мы видели мнимое изображение, мы увидим теперь действительное. Видеть их одновременно, конечно, нельзя.

Несмотря на существенные преимущества объемных голограмм – возможность восстановления изображения в белом свете без использования лазеров и получения лишь одного изображения, а не нескольких, как в случае плоских голограмм, – плоские голограммы сейчас имеют более широкое применение. Это связано с чисто техническими причинами. Современные толстослойные фотоэмульсии заметно поглощают свет. Поэтому чем глубже слой эмульсии, тем меньше информации он получает, особенно о тех деталях объекта, которые освещены слабее или хуже отражают свет.

Для плоских голограмм применяются эмульсии, толщина которых меньше половины длины волны используемого лазера. Здесь поглощение, конечно, не играет существенной роли.

Потенциальные преимущества объемных голограмм, в особенности возможность концентрации огромных количеств информации в элементах малых размеров, стимулируют усилия с целью создания новых специальных фотоэмульсий и поиска новых процессов, позволяющих фиксировать информацию, содержащуюся в стоячих волнах.

Один из таких процессов – образование окрашенных центров в некоторых прозрачных кристаллах. Такие центры возникают в кристаллах под действием электронов или фотонов, обладающих достаточно большой энергией. Вероятность образования окрашенных центров при фиксированной энергии возбуждающего излучения пропорциональна плотности энергии излучения. В случае стоячих волн она больше в пучностях и меньше в узлах. Поэтому интенсивность окраски, как и интенсивность почернения фотоэмульсии, оказывается пропорциональной интенсивности стоячей волны. Важным преимуществом такого метода является принципиальная возможность стирания полученной голограммы и многократного повторного использования кристалла. В некоторых кристаллах это достигается путем простого нагревания. К сожалению, такие кристаллы еще не нашли применения в практической голографии.

В глубину веществ

Современной голографии, основанной на применении лазеров, неизмеримо превосходящих по когерентности все другие источники света, всего восемь лет. Что же она уже может и что обещает в будущем?

Удивительно, но голография может успешно соревноваться с обычной фотографией, применяющей объективы, даже в ее коронной области – получении плоских черно-белых изображений. Возможности обычной фотографии ограничены в двух отношениях. Разрешающая способность, то есть способность воспроизвести раздельно две мелкие детали изображения, ограничивается и качеством объектива, и качеством фотоэмульсии. В лучшем случае изображение может содержать детали размером около сотой доли миллиметра. Иногда существенна и способность эмульсии воспроизводить градацию яркости объекта. Лучшие фотоматериалы позволяют воспроизводить не более ста ступеней между наиболее белым и наиболее темным участком изображения.

Разрешающая способность голограммы зависит главным образом от ее размера, который, в свою очередь, может быть ограничен свойствами источника света. Однако в настоящее время предел разрешающей способности голограммы определяется не этим, а свойствами фотоэмульсии, на которых фиксируется голограмма. Сейчас существуют фотоэмульсии с разрешающей способностью до 10 тысяч линий на один миллиметр. Их чувствительность очень мала, так что приемлемые длительности экспозиции могут быть достигнуты только при применении лазеров.

Для многих применений чрезвычайно важно, что при голографической записи каждая точка голограммы получает информацию одновременно о всех точках объекта. Затем при восстановлении изображения каждая точка голограммы участвует в формировании каждой точки изображения, а значит, любая точка изображения синтезируется при помощи всей голограммы. Именно благодаря этому голография может реализовать рекордную разрешающую способность и передать в сто раз более подробную градацию тонов, чем это возможно для двух соседних точек фотоэмульсии. Конечно, для того чтобы воспользоваться всем богатством полутонов, записанных на голограмме, не стоит и пытаться воссоздать изображение на фотобумаге. Мы уже знаем, что фотобумага не способна к этому, и весь выигрыш будет потерян. К сожалению, впредь до разработки новых фотоматериалов богатство полутонов, записанных на голограмме, может быть реализовано лишь в научных целях, когда изображение исследуется при помощи соответствующих фотоприемников.

Чем меньший кусок голограммы используется для восстановления изображения, тем беднее гамма яркости, тем меньше разрешающая способность. Однако даже очень малая часть голограммы способна образовать изображения всего объекта целиком, хотя эти изображения содержат все меньше деталей и становятся все более однотонными по мере уменьшения площади использованной голограммы.

Естественно считать, что ближе всего к фотографии примыкает кино и телевидение, и попытаться применить к ним методы голографии. Голографическое кино уже существует, правда, оно применяется пока лишь в исследовательской работе. Малая длительность вспышек лазеров, дающих гигантские импульсы, – несколько стомиллионных долей секунды – позволяет фиксировать мгновенное распределение и движение пылинок, капелек дождя и тумана в воздухе, твердых частичек в струе газов ракетных двигателей, пузырьков и мелких организмов в потоках воды. Прокручивая кадры голограммы в медленном темпе или даже останавливая их, можно подробно изучать объемное распределение важнейших деталей, производить точные измерения или другие наблюдения, недоступные в естественных быстротечных процессах.

На пути к созданию художественных голографических кинофильмов стоят чисто технические трудности, связанные с необходимостью применения сверхъярких лазеров и созданием специальных кинопленок. Преодоление их – вопрос времени.

Огромный объем информации, записанной на голограмме, сильно затрудняет ее передачу по телевизионному каналу. Расчет показывает, что для этого нужно увеличить полосу телевизионного канала в сотни раз. Такое возможно лишь при переходе телевидения по крайней мере в диапазон миллиметровых радиоволн, Но и в этом случае необходимо радикально уменьшить диаметр электронного пучка в приемных и передающих телевизионных трубках и усовершенствовать покрытие экранов трубок.

Однако уже зарубежные опыты передачи отдельного неподвижного голографического изображения показали необычайную помехоустойчивость системы. Изображение воспроизводилось с минимальными искажениями даже тогда, когда связь не нарушалась помехами лишь 10 процентов полного времени передачи!

Первые шаги голографии были связаны с микроскопом. Электронная микроскопия достигла высокого совершенства и без применения голографии. Это отчасти лишало голографию одного из стимулов развития в первые годы ее существования. Однако возможности реализации объемного изображения вновь привлекли лазерную голографию к задачам электронной микроскопии.

По-видимому, наибольшие перспективы голографического микроскопа лежат в области ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, где невозможно применение линзовой техники. Ведь большинство материалов непрозрачны для коротких ультрафиолетовых лучей и практически не искривляют пути распространения рентгеновских лучей. Но пока не существует рентгеновского лазера. Нет достаточно мощных лазеров в диапазоне коротких ультрафиолетовых лучей. Поэтому реализация потенциальных преимуществ голографического микроскопа – дело будущего.

Наибольшее практическое применение голография получила в технике и в исследовательской работе. Например, при изготовлении точных деталей сложной формы – лопаток турбин, корабельных винтов и т.п. – контроль изделий занимает значительную часть времени, требует сложных приспособлений и высокой квалификации. Если лазерный свет, отраженный от изделия, пропустить через голограмму, полученную при помощи шаблона, то отступление размеров изделий на долю длины волны от размеров шаблона приведет к появлению на экране интерференционных полос. Число и расположение этих полос характеризуют отступление размеров изделий от расчетной величины. Особенно удобна возможность непрерывного визуального контроля для процесса окончательной доводки размеров изделия. Поверхность изделия вовсе не должна быть полированной, как при прежних методах оптического контроля.

Во многих случаях нет необходимости даже в изготовлении шаблона. Голограмму можно сделать просто по чертежу изделия или даже на основе математической формулы, описывающей форму поверхности изделия.

Пропуская лазерный свет, рассеиваемый какой-либо деталью работающей машины, через голограмму неподвижной детали, можно обнаружить вибрации и ничтожные деформации детали. И на деталь не надо действовать ничем, кроме света.

Голографические методы уже успешно применяются в звуковидении и радиолокации. Если предмет, погруженный в прозрачную жидкость, облучается потоком звуковых или ультразвуковых волн так, что рассеянные им волны попадают на поверхность жидкости, на ней возникает рябь. Если на поверхность одновременно попадает и волна, идущая непосредственно от источника, то рябь на поверхности превращается в систему неподвижных стоячих волн. Они содержат информацию о форме предмета и о механических свойствах его поверхности. Облучая эти стоячие волны светом лазера, можно увидеть глазами изображение объекта, скрытого в жидкости. Аналогично можно исследовать раковины и другие включения внутри металлических или цементных блоков и в других непрозрачных твердых телах.

Раскрытие образа

Наиболее распространенные радиолокаторы ощупывают пространство узким пучком радиоволн. Изображение цели на окружающем фоне воссоздается на трубке радиолокатора по точкам, подобно тому, как воспроизводится изображение в телевизоре.

В последнее время задачи радиолокации усложняются. Необходимо одновременно следить за многими целями, быстро перемещающимися в больших областях пространства. Обычный одноантенный радиолокатор достиг предела своих возможностей. Появились сложные многоэлементные системы. Чрезвычайно возрос объем поступающей информации. Методы голографии позволяют и здесь добиться хороших результатов.

Неисчерпаемые возможности голография открывает в области вычислительных машин и других систем накопления и обработки информации. Расчеты показывают, что плоская голограмма на пластинке размером 7 на 7 сантиметров вмещает 100 миллионов единиц информации, что соответствует библиотеке из 300 книг по 200 страниц каждая.

Объемная голограмма способна сосредоточить миллион миллионов единиц информации в одном кубическом сантиметре. Задача состоит в том, чтобы удобно и быстро осуществить такую запись и, что особенно сложно, быстро извлечь из этой массы нужную информацию.

Огромным преимуществом голографической записи является замена последовательного поиска, применяемого в других системах (перелистывание страниц, просмотр оглавления и библиографических карточек, прокручивание магнитных пленок), одновременным анализом всего блока памяти.

Например, метод, иногда называемый методом фантомных изображений, действует так. Информация, например страницы книги последовательно вводится в голограмму – блок памяти. При этом часть каждой страницы отводится для записи ключевых данных – например, название книги, автор, номер страницы. На стадии восстановления изображения луч лазера, направленный на голограмму, предварительно проходит через ключевую карточку – пластинку, на которой нанесены ключевые данные нужной страницы. На экране немедленно возникает изображение всей страницы. Существующая техника позволяет достаточно четко восстановить содержание страницы, даже если лишь 2 или 3 процента ее площади использовать в качестве ключа поиска. Это, конечно, значительно упрощает процесс. Но ученые хотят достичь много большего сжатия информации.

Более эффективным является метод, аналогичный ассоциативной памяти. Большой объем голографических систем памяти вместе с применением ассоциативной методики позволит в будущем создать машину для перевода, хранящую в «словаре» не отдельные слова, а целые фразы. В блок записывается информация о связи входного сигнала (например, определенной фразы русского языка) с выходным сигналом (соответствующим фразе иностранного языка). В выходной блок записываются лишь выходные данные, в нашем примере – множество иностранных фраз. На стадии восстановления информации выходной блок освещается лучом лазера, проходящим через блок памяти. При отсутствии входного сигнала на экране за выходным блоком имеется только слабое равномерное освещение. Если же, кроме опорного луча, на блок памяти падает вторая часть луча того же лазера, предварительно пропущенная через пленку, на которой записана русская фраза, то на экране немедленно появится ее иностранный эквивалент. Если соответственная русская фраза и ее иностранный эквивалент не были первоначально введены в систему, на экране не возникнет никакого изображения.

Пока такой машины не существует, но создание ее требует лишь преодоления технических трудностей. И можно создать в такой машине возможность приближенных переводов фраз, интересующих абонента, даже если эти фразы не были введены в ее память.

Методы, кратко описанные выше, позволяют производить не только быстрый поиск, но и обработку информации, например, осуществлять математические и логические операции, опознавать различные образы: разыскивать фотографии, на которых присутствует определенное лицо, или производить анализ крови или отпечатков пальцев, и многое другое.

В последнее время разработаны специфические методы голографии, позволяющие обходиться без источников когерентного излучения. Они представляют собой в некотором смысле возврат к липмановским фотографиям, но на более высоком уровне и без применения линз. В методе Липмана интерференционная структура возникала при взаимодействии некогерентного света, прошедшего через объект, с лучами того же света, отразившимися от зеркала, примыкающего к фотоэмульсии. В современной некогерентной голографии некогерентное излучение, прошедшее объект, расщепляется дифракционной решеткой. Два главных пучка, образованных решеткой, направляются на голограмму при помощи двух вспомогательных зеркал. Этот метод применим и к рентгеновским лучам, и даже к гамма-лучам в эффекте Мессбауэра.

Современная голография – дитя лазера. Она уже вышла из пеленок и стала средством быстрого прогресса науки и техники. Мы еще услышим о многих чудесах, превращенных голографией в реальность.

Мы увидим

Я познакомилась с Денисюком в марте 1971 года, когда он впервые присутствовал на собрании Академии наук после его избрания членом-корреспондентом.

– В наши дни многие придают чрезмерное значение вопросам приоритета, – сказал Денисюк. – Конечно, голографию придумал и впервые доказал ее осуществимость Габор. Но я рад, что узнал о его работах, когда сам уже сформулировал свой метод и получил свои результаты. Как знать, пойди я каноническим путем, начав с изучения литературы, не попал бы я в плен идей Габора и смог ли прийти к идее объемной голографии?

– Ведь подход у нас был близким, цели одинаковыми, – продолжал он, – а обнаружив в журнале готовое решение, поневоле размагничиваешься. Кто знает, прочитай я годом-двумя раньше статьи Габора, и объемную голографию пришлось бы придумывать другому, и, может быть, это произошло бы много позже. Насколько я знаю, Габор хорошо понимает различие между нашими направлениями и всегда ссылается на мои работы по объемной голографии. А я, конечно, всецело признаю его приоритет и его заслуги, так же как и заслуги Лейта в создании плоской лазерной голографии...

Впрочем, коснувшись вопросов истории, не следует забывать, что и у Денисюка и у Габора были предшественники. Габор указывает, что его метод возник, как модификация идеи У. Брэгга, крупнейшего специалиста по рентгеноструктурному анализу.

Но ни Габор, ни Денисюк ничего не знали о трудах польского физика Мечислава Вольфке, сформулировавшего принцип двухступенного восстановления изображения объекта, при котором используется дифракционная картина, образуемая этим объектом. Свою идею Вольфке, как и Габор, сформулировал применительно к рентгеновским лучам и проверил на опыте в видимом свете. Соответствующие публикации появились в 1920 году. Они опирались на теоретические работы автора, выполненные между 1911 и 1914 годами, причем эти исследования опирались на труды знаменитого иенского оптика Эрнста Аббе и его теорию микроскопа. Вольфке указывает, что к идее восстановления изображения подходил в 1913 году и Э. Хупка. Еще раз, не зная о предшественниках, подобную идею высказал в 1938 году Х. Берш.

Все они были пионерами, далеко опередившими возможности и даже потребности своего времени.

Меня же интересовал не только вопрос приоритета.

– Говорят, что голография – дитя лазера. Правильно ли? Ведь и вы и Габор получили свои голограммы до появления первых лазеров, – спрашиваю я.

– Тем не менее, это верно, – ответил Денисюк. – Без лазеров голография осталась бы интересным принципом, может быть, имеющим узкое применение в каких-то специальных исследованиях. Лазеры вдохнули в голографию новую жизнь. Открыли ей многочисленные пути в практику. Привлекли к ней внимание ученых и инженеров, да и всей читающей публики. Для меня голография не только область науки, но и основа для размышлений. Судите сами: стремление запечатлеть окружающий мир – одно из наиболее характерных проявлений разума. Обезьяна иногда пользуется палкой – простейшим орудием. Но только человек научился рисовать. Современным людям живопись кажется оторванной от практики, она выступает лишь как эстетическая ценность. Но в далекой древности люди отождествляли изображение с объектом. Рисунки имели магический смысл. Рисунок, живопись явились первым методом описания, а отчасти и познания окружающего мира. Этому методу не хватает точности, свойственной математике, но он вне конкуренции по непосредственному воздействию на наши чувства, на наши мысли. Мы не знаем, как мозг распознает образы, но самая совершенная электронная машина не может пока и в слабой степени приблизиться в этом к мозгу. Несомненно, что именно рисунки постепенно стали основой пиктографической письменности, а потом превратились в иероглифы и, наконец, в буквы современных алфавитов. Нет, конечно, голография не заменит письменность. Но она позволит достичь наиболее компактной записи больших объемов информации... Есть еще одна очень интересная область, примыкающая к голографии. Некоторые физиологи предполагают, что процесс формирования образов в коре головного мозга в чем-то аналогичен образованию голограммы. В самом деле, мозг очень устойчив против повреждений. Создается впечатление, что запоминание образа происходит в нем не локально, не в определенных клетках, а глобально – все или большинство нейронов участвуют одновременно в этих процессах. И, отсекая отдельные участки коры головного мозга, мы не уничтожаем полностью какую-то часть запомненного, а лишь уменьшаем количество деталей. Ведь и в мельчайшем осколке голограммы хранится образ всего объекта, но чем меньше оставшийся кусок голограммы, тем менее подробно воспроизводится объект. Конечно, аналогия не означает тождества. Но какую-то часть истины исследователю она, несомненно, дает.

– Юрий Николаевич, – сказала я, – известно, что животные не воспринимают фотографии. Собака узнает голос хозяина, записанный магнитофоном, но не реагирует на его портрет. Как она отнесется к его голографическому изображению?

– Не знаю, проводил ли кто-либо такой, опыт. Не сомневаюсь, что собака узнает хозяина по его голограмме. Фотография в значительной мере условна. Для ее восприятия нужен определенный уровень интеллекта, нужна тренировка. А голограмма дает полный и объективный образ объекта. Она решает даже более сложную задачу автоматического распознавания образов. Мы уже можем получать голографические портреты людей при вспышке лазера. Остается провести интересующий вас эксперимент... Мне кажется, – сказал в заключение Денисюк, – что создать объемное голографическое кино и телевидение труднее, чем решить многие чисто технические задачи. Но мы с вами еще успеем увидеть и то и другое.

 

Глава VIII. Квазиоптика

Оглавление

 

Дата публикации:

10 сентября 1999 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика