ОПТИКА

Десять лет понадобилось автоматической космической станции «Розетта» (англ. Rosetta), чтобы 12 ноября 2014 года достичь комету Чурюмова-Герасименко, находящуюся на расстоянии 500 миллионов километров от Земли. Кометы известны, прежде всего, характерным для них хвостом.

Но на этот раз учёных особо интересует железное ядро кометы: разработанная исследователями Института Макса Планка специальная камера на борту зонда отправляет на Землю сенсационные снимки. Полёт данных через космос длится 28 минут и 20 секунд. Раньше никому еще не приходилось видеть подобные детали. Даже с помощью лучших телескопов их было невозможно распознать с Земли.

Космический зонд «Розетта» перед кометой Чурюмова-Герасименко (коллаж)

Где находятся границы зрения? Немецкий физик Эрнст Аббе в 1873 году рассчитывает, что световой микроскоп может показывать только детали, отдалённые друг от друга, как минимум, на половину длины волны использованного света. Поэтому физики долгое время полагают, что разрешение светового микроскопа не может быть больше, чем 200 нанометров.

Однако в 1999 году эта граница оказывается преодоленной: разработанный гёттингенским физиком Штефаном Хеллем STED-микроскоп показывает детали размером всего несколько нанометров. Принцип его работы: крошечные структуры подсвечиваются, в то время как часть этого света отсоединяется посредством второго специального луча. Это позволяет предотвратить пересечения лучей расположенных рядом структур.

Один нанометр составляет 0,000000001 метра. Это делает STED-микроскоп от десяти до стократ более мощным, чем классический световой микроскоп.
» Фильм «STED – взгляд в наномир с помощью света»

Протеиновые структуры в пределах одной клетки, обычный микроскоп (вверху) и STED-микроскоп (внизу)

Протеиновые структуры в пределах одной клетки, обычный микроскоп

Как мы думаем, чувствуем и учимся? На эти вопросы можно ответить, только если точно понимать структуру и принцип работы мозга. Для этого необходимо визуализировать отдельные нервные клетки и их активность. Биофизик Винфрид Денк в конце 1980-х годов усовершенствует световой микроскоп и разрабатывает модель двухфотонного флуоресцентного микроскопа: лазер отправляет фотоны, т.е. световые частицы, в образец таким образом, чтобы они накладывались на точно определённую точку и усиливались. Таким образом учёные могут всматриваться примерно на один миллиметр вглубь живой ткани и наблюдать непосредственную работу мозга.

Именно в области исследований мозга новые световые микроскопические методы предоставляют большие возможности. Поскольку, в противоположность электронной микроскопии, с помощью новых методов можно исследовать живые клетки и ткани.

Живые клетки сетчатки глаза под двухфотонным флуоресцентным микроскопом

Вирус Эболы, СПИД, оспа, корь, грипп — множество опасных заболеваний передаётся посредством вирусов. Однако пройдёт немало времени, пока исследователи смогут идентифицировать возбудители этих заболеваний. Причина: вирусы — крошечного размера, гораздо меньше бактерий. Под классическим световым микроскопом вирусы не различимы.

Только электронный микроскоп, изобретенный немецким физиком Эрнстом Руска в 1931 году, дает возможность взглянуть на наномир. Вместо света Руска использует коротковолновые электронные лучи. Вместе со своим братом, медиком Гельмутом Руска, он первым рассматривает и классифицирует вирусы. В 1986 году Эрнст Руска получает Нобелевскую премию в области физики за своё изобретение.

Современные электронные микроскопы достигают разрешения до 0,1 нанометров и позволяют проводить исследования, например, точное исследование протеина.

Эрнст Руска у электронного микроскопа, 1955 г.

Современный электронный микроскоп

В 1846 году Берлинский астроном Иоганн Готтфрид Галле открывает планету Нептун. Подзорная труба, которую он использует, является лучшей для своего времени. Ее создает Баварский оптик Йозеф фон Фраунгофер — только он один в начале XIX века может изготавливать линзы высшего качества без шлира и продувки.

Современные телескопы во много раз мощнее. К примеру, очень большой телескоп (англ. Very Large Telescope, VLT), состоящий из четырёх связанных друг с другом телескопов, мог бы распознать даже фары автомобиля на Луне как отдельные световые точки. Учёные из Общества Макса Планка в настоящее время исследуют с помощью VLT чёрную дыру в центре Млечного Пути.

Через пустыню можно почти дотянуться до звёзд на чистом небосводе

Очень большой телескоп (VLT) в чилийской пустыне Атакама