КАЖДЫЙ ОХОТНИК ЖЕЛАЕТ ЗНАТЬ, ГДЕ СИДИТ ФАЗАН
В. ОРЛОВ
Владимир ОРЛОВ.
Известный мастер научно-художественного жанра писатель Владимир Орлов готовит к печати книгу очерков, раскрывающую идеи и образы научно-технической революции. Каждая из новелл, вошедших в новую книгу, рассказывает об интересных проблемах современной науки, о творческих исканиях советских ученых, и инженеров, реализующих Директивы XXIV съезда КПСС по девятому пятилетнему плану.
Ниже мы печатаем главу спектроскопии - науке, становящейся производительной силой.
Одновременно печатается комментарий заместителя председателя Комиссии по спектроскопии АН СССР, кандидата физико-математических наук В. Белянина к цветной вкладке, иллюстрирующей, сколь широк сегодня фронт научных исследований в области оптической спектроскопии.
«Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Сознаюсь не без смущения, что я вспомнил эту детскую волшебную фразу, переступая порог Комиссии по спектроскопии Академии наук СССР. Волшебство словосочетания помогало, когда-то запомнить радугу первыми буквами семи его слов зашифровано семь цветов солнечного спектра - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. А теперь мне предстояло познакомиться с самими волшебниками радуг, учеными, изучающими спектры, погостить у них в лабораториях и попробовать передать отрывки впечатлений с этого необъятного фронта работ.
Даже если семицветная арка, и не светится в весеннем небе, все равно миниатюрные радуги то и дело вспыхивают в каждом доме. Они видны в преломлениях в хрустале, и в косых отражениях от изборожденной грампластинки, и в пузатых боках мыльных пузырей. Нынче все эти мимолетные явления природы культивированы человеком, и доведены до ярчайших эффектов с помощью наивысших усилий оптического приборостроения. В лабораториях и цехах действует целая машинерия искусственных радуг, которой пользуются тысячи, и тысячи люден. Мы имеем в виду несметный арсенал специальных приборов - от карманных трубочек размером с карандаш до внушительных систем, напоминающих те «игрушки», которые вывозят на парады. Они есть во всех современных научных учреждениях, предприятиях, потому, что стали универсальными инструментами познания мира. Их будет еще больше потому, что Директивы XXIV съезда КПСС по новой пятилетке обязывают расширить промышленное производство современных приборов, аппаратов и лабораторного оборудования для проведения научных исследовании.
Мощь иных спектроскопических приборов столь велика, что не только солнечный луч, но, и свет отдаленной звезды, не различимый глазом, они могут превратить в земную радугу и запечатлеть ее на негативе. Мне случалось видеть продукцию астрономических спектрографов - грандиозные стеклянные картотеки, где запечатлелись «в черно-белом варианте» спектры-радуги дальних звезд. Поразительна содержательность, информационность этих призрачных частоколов темных, и светлых спектральных линий! Расстановка их раскрывает химический состав, а соотношение чернот показывает температуру звезд. Еле видные смещения линий к красному концу спектра говорят о скоростях разбегающихся галактик. Даже легкая размытость липни красноречива - повествует о сложнейших вихревых движениях звездной материи. Спектроскопия совершила величайшую революцию в астрономии, внеся краски жизни в геометрический карнавал созвездий, приоткрыв нам таинства рождения и умирания светил. То, что слыло сияющей точкой в черном небе, оказалось сложнейшим термоядерным механизмом, вдохновляющим на творческие свершения на земле.
Спектрографы цехов, и лабораторий - это, в сущности, меньшие братья гигантских астрономических инструментов. Крохотную щепотку земной материи помещают между углями электрической дуги или в искровом промежутке, и домашняя, настольная голубая звездочка загорается перед щелью спектрографа. На пластинке закрепится спектр, представляющий собой широкоэкранную панораму ее химического состава. Когда-то такие спектрограммы приносили избранным сведения о не открытых еще элементах. Теперь это массовая, популярнейшая методика.
...Девушка в белом халате отодвигает в сторону атлас спектральных линий - букварь спектроскопии. Она его знает наизусть. Бегло глядя на спектрограмму, заполняет она бумажную простыню протокола, проставляя в клеточках предполагаемые проценты содержания десятков химических элементов. Это уже полуколичественный анализ, производимый на глаз. Как ни странно, он довольно точен! Есть, и строгие методы количественного спектрального анализа. Все это такая простая, такая экономичная методика, что директора иных предприятий приказами запрещают обращаться к химии, когда можно анализировать спектроскопически.
Небывалая простота и быстрота сложнейших анализов определили широчайший размах применения спектроскопии в геологии. Вспоминается одно из них - металлометрия, - мощное средство поиска кладов земли. Бывает, что рудное тело скрывается от разведчика под слоем рыхлой почвы. Но оно оставляет о себе на поверхности почти неуловимые вести в виде расходящихся u слабеющих ореолов рассеяния. Чтобы нащупать эти ореолы, разведчику надо проанализировать химически бессчетное количество проб с земной поверхности, и обнаружить шаг за шагом постепенное нарастание еле заметных следов искомого металла. Эту грандиозную работу можно эффективно вести лишь с помощью спектроскопии. При металлометрии ежегодно приходится делать анализы нескольких миллионов проб. Здесь нужна особая производительность, и не случайно у спектрографов, разработанных для этой цели, я заметил бегущие конвейерные ленты. С сердцебиением следопыта вы разглядываете несметные снимки спектров, замечая, как шаг за шагом все ярче разгораются на них заветные спектральные линии, словно шепча разведчику «Холодно!.. Теплее!.. Еще теплее!.. Жарко! Тут, и искать!»
...Маленький шлиф породы под микроскопом похож на пеструю мозаику из крохотных кристалликов, причем каждый из них имеет свой сложный химический состав. Чтобы детально проанализировать шлиф, исследователь должен превратиться в лилипута с геологическим молоточком размером с комариное жальце, способным взять химическую пробу от мельчайшего кристалла. На помощь современным Гулливерам приходит лазер. Впечатляет лазерный эмиссионный спектральный анализ шлифа. Через тубус микроскопа бьет лазерный луч, остро фокусируясь на шлифе. Жгучее пятнышко столь мало, что покрывает лишь часть микроскопического кристалла. Из-под этого «лучевого молотка» со скоростью, превышающей первую космическую, взлетает облачко испаренного вещества. Тут его поджидают электроды, под высоким напряжением создающие некую предгрозовую обстановку. Облачко провоцирует искру. Бац! Гремит крохотная молния. Вспыхивает голубая звездочка раскаленной плазмы. Ее свет анализируется спектрографом, показывающим химический состав. На предметном столике микроскопа разыгрывается маленькая оптическая симфония, прославляющая гибкую всеобъемлющую мощь луча! Работа идет лихо бац!, бац!, бац!. Я прильнул к окуляру микроскопа, словно к бомбардировочному прицелу, и увидел в мозаичном поле зрения вереницу воронок, напоминающих трассу бомбового удара.
Применимость спектрального анализа в машиностроении не очевидна для новичка, и его удивляет насыщенность спектрографами центральных или даже цеховых лабораторий серьезных машиностроительных заводов. Тут они оперативно контролируют металл. Вспышка голубой звездочки, развернутая в радугу, создает панораму химического состава сложного сплава. И уж, конечно, спектроскопия широко используется на шинных, и нефтеперегонных предприятиях. Каждый автомобиль, катящий по улицам, спектрально изучен, словно небесное созвездие.
Идея спектрального надзора за эксплуатацией автомобилей исполнена такого изящного остроумия, что, наверное, недалеко время, когда спектрографы утвердятся в каждом солидном автохозяйстве. Здесь решается проблема ранней диагностики аварийных состояний, основы всякой действенной профилактики. Нечего зря валяться под машиной! Возьмите крохотную капельку отработанного масла, циркулирующего в организме машины, и отнесите ее под спектроскоп. Радуга обнаружит в маслице разнообразные примеси истертых металлов. Все дело в их пропорциях! Если нормальные пропорции соблюдены, значит, и износ машины идет нормально. Но вообразите такой пассаж - в спектрограмме особенно остро вспыхнули линии алюминия. Караул! - начал аварийно истираться поршень! Слишком яркие линии свинца сигнализируют об опасном истирании подшипника. Сила в исключительной чувствительности спектрографического метода.
Есть известная притча о бесконечности времени. Раз в столетие прилетает к горе птичка поточить свой клюв о гранит. Когда сточится вся гора, минет один день вечности. Обстоятельства, вызывающие износ двигателя, конечно, активнее сказочной птички, но, как долго - прямо целую вечность! - приходится испытателям гонять двигатель, пока самый чувствительный микрометр сможет уловить следы разрушительного процесса. Надо без конца гонять машину, останавливать ее, разбирать, измерять, исследовать части. А спектральная методика подмечает износ даже тогда, когда в масло перешли микроскопические дозы металла. В радугах спектроскопов становится ясным, что подшипники капризны, как принцессы на горошине, и даже марки масла переносят по-разному, привередничая, как гастроном; что на машины, как и на людей, действуют тонкости климата.
Мне пришлось побывать, и у медиков. Правда, судебных. Спектроскописты им очень помогают. Их методика столь топка, что даже легкий след металла на синяке от ушиба железным прутом делает возможным опознать прут. Радуги помогают уличить преступника, доказав, что дробь - это его дробь, что табак на месте преступления - это его табак. Был случай, когда роковая совокупность улик подводила к мысли, что человек убил и сжег свою жертву. Но спектрографический анализ пепла развеял подозрения. Радуги реабилитируют! Производится огромная статистическая работа по спектральному исследованию пропорционального состава микроэлементов в разных органах тела в разном возрасте, в норме, и патологии, до и после того, как остановились шахматные часы жизни, и включился траурный циферблат смерти. Следователи получают критерии, помогающие по крохотной частице праха определить возраст погибшего, если он еще юн, или отличить естественную смерть от насильственной. Эго строго научная работа, чуждая сенсаций, где* одинаково ценны и дерзкие надежды, и крушения ложных иллюзий. Рядом с пресловутыми весами Фемиды становится другой физический прибор - спектрограф. Но он требует к себе такого же вдумчивого отношения, как и вышеупомянутые весы. Стрелки могут раскачиваться вправо, и влево. Категорических утверждений избегают. Разговор идет на языке статистики. Исчисляются вероятности того или иного вывода. Ни о, каком «механическом следователе» не может быть и речи-только умная подсказка человеку, ведущему следствие.
Вот лишь несколько кадров из поистине бесконечной ленты всевозможных применений спектроскопии. В чем же тайна ее универсальности, ее всеобъемлющей роли? Дело в том, что в структуре спектральных линий (словно радуга в школьной фразе) зашифровано строение атома - основы всех основ. Спектроскописту дано видеть атомы в многообразных их состояниях. А в незримой части радуги скрыты шифры строения молекул. Не случайно спектроскопия служит средством углубления в микромир. Я видал, как в лабораториях на спектрографах получают сложные кривые, и колонки цифр. В них, как г. смутных зеркалах, отражаются скелеты и контуры молекул. Изучение возбужденных излучающих атомов совершенствует искусственные солнца на земле. Именно успехами спектроскопии доказано, что можно создать возбужденную среду, способную исторгнуть лазерный луч. Радуга сделалась ворогами лазерного века.
Расскажу еще одну спектроскопическую новеллу об иероглифах солнечной короны.
Проблема языка, понятного для внеземных цивилизаций, вдохновляет не одних фантастов. Со времен Джордано Бруно она занимает, и ученых. Ломоносов писал, когда-то «Карл Пятый, римский император, говаривал, что ишпанским языком с богом, французским - с друзьями, немецким - с неприятелем, итальянским - с женским полом говорить прилично». Но - увы! - ни один национальный язык не пригоден для беседы с пришельцами из других миров. «Правда, - пишет Ломоносов, - что, кроме слова нашего, можно бы мысли изображать было чрез разные движения очей, лица, рук и прочих частей тела, как то пантомимы на театрах представляют, однако таким образом без света было бы говорить невозможно, и другие упражнения человеческие, особливо дела рук наших, великим были бы помешательством такому разговору; не упоминаю других непристойностей»
И слова, и жесты не годятся для космического диалога! Перекличку между звездами надо вести на, каком-то всеобщем языке природы. Перелистывая современные сочинения, замечаешь, что попеки «вселенского языка» ведутся на основе семиотики - учения о знаках - важной ветви теории познания, применяемой с разной степенью остроумия, и серьезности. В качестве основы для вселенского взаимопонимания выдвигаются такие математические банальности, как таблица умножения или «пифагоровы штаны», без которых, казалось бы, не могла обойтись ни одна приличная цивилизация.
Кое-кто предлагает для завязки межзвездных связей обмениваться светом, спектрами. Здесь имеются некоторые резоны. Ведь в характере излучения - в спектре - раскрывается структура атома. Спектр - неизбежные врата, через которые познающий ум проникает в атом. Разнообразие спектров ограниченно, как и разнообразие атомов, предопределенное строгими клетками менделеевской таблицы. Все тела во Вселенной построены из одних, и тех же атомов, и в этом проявляется материальное единство мира. Значит, любые цивилизации, постигшие атом, могут обмениваться спектрами, как знакомым, и строго определенным кругом знаков. Предположение, что на дальнем небесном теле отыщется, какой-либо «сумасшедший» спектр, неизвестный на Земле, не раз опровергалось историей спектроскопии. Загадочные линии, найденные в спектре Солнца в прошлом веке, только подсказали земным ученым - ищите и обрящете! И ученые, поискав, вскоре обнаружили подобные линии на Земле, а вместе с ними, и дотоле неизвестный гелий, занявший пустовавшую клетку в менделеевской таблице.
Но в последнее время представления о спектральном богатстве Вселенной расширились безмерно. Человек вышел в космос, запустил ракеты за пределы атмосферы. Началась эпоха заатмосферной астрономии. И пылающие бездны открылись людям в ничем не затененном блеске. Ведь прозрачное небо было темной повязкой на глазах человечества атмосфера затемняла множество спектральных линий. Геофизические ракеты со спектрографами на борту поднялись на высоту в 500 километров, и прорвали повязку. На фотографической пленке запечатлелись ультрафиолетовые, и рентгеновские спектры солнечной короны, которые задерживались атмосферой.
Вместе с директором Института спектроскопии АН СССР профессором С. Л. Мандельштамом мы рассматриваем эти космические пленки, полученные его сотрудниками И. А. Житником и др. Лес дремучий! Спектроскописты пробирались с трудом через эту чащу линий, и нашли в ней «невиданных зверей» - поистине «сумасшедшие» спектры. Их, казалось бы, излучали загадочные атомы, которым не было места в менделеевской таблице.
«Водородоподобный углерод», «гелиоподобное железо», «бороподобный кальций»! Атомы-кентавры, атомы-химеры блистали в солнечной короне, странные, как те фантастические существа, что украшают карнизы средневековых соборов. Ни один из них не ложился в клетки менделеевской таблицы. Солнце заговорило с Землею непонятными иероглифами.
Вот те на! Неужели алфавит спектральных линий не универсален и на дальних светилах существуют, какие-то свои химические элементы, неизвестные на Земле? Значит, рушится основа грядущих вселенских связей? Значит, трещит по швам менделеевская таблица? А быть может, и совсем серьезная катастрофа, над которой позлорадствуют фидеисты, - пошатнулись основы материального единства Вселенной?
Полагаю, впрочем, что не первое, а скорее два последних обстоятельства побудили физиков искать теоретические объяснения, проясняющие этот хоровод чудес. Было сделано предположение, что диковинные, «сумасшедшие» спектры - это линии известных атомов, изуродованных миллионоградусным жаром солнечной короны. Чудовищный жар срывает электронные оболочки с атомов, оголяет их, как осенний вихрь обнажает древесные кроны. А отсюда - странные спектры излучения.
Да простят нам физики музыкальную аналогию, потому, что в мире атомов все аналогии грубы. Атом познается по излучению, как музыкальный инструмент - по звучанию. Арфу узнают по своеобразию тембра и множественности струн. Но представьте, что адский вихрь сорвал с арфы струны, и остались звенеть, какие-то три струны. Это будет музыкальная химера, нечто вроде «арфы-балалайки». Вот подобным же образом искалечены атомы элементов в солнечной короне. Неузнаваемо уродливы их спектры!
Теории надлежит подтверждать опытом. Надо было в земных условиях исследовать излучение вещества при миллионоградусных температурах, воспроизвести на лабораторном столе зубчик солнечной короны. О таком дерзновенном эксперименте лет пятнадцать тому назад можно было только мечтать. Но сегодня печи с миллионоградусной температурой перестали быть секретом. Мы имеем в виду широко известные термоядерные установки или устройства им подобные. Они сделались ходовыми инструментами физических исследований. Все больше становится лабораторий, похожих на космогонические мастерские, где из первозданного хаоса - плазмы - формируются фрагменты небесных светил, и люди привычно взирают на этот акт творения. В термоядерных ловушках, теснимые незримыми тенетами магнитных линий, возникают на миг жгуты, и кольца миллионоградусной плазмы.
Вот на эти астрофизические объекты, синтезированные на лабораторном столе, направили свои приборы спектроскописты. И на пленках запечатлелись «сумасшедшие» спектры, кое-что из иероглифов солнечной короны. Это были спектры изуродованных легких элементов, воспроизведенные на Земле. Но с тяжелыми элементами опыт провести не удалось. Незначительные примеси тяжелых атомов «отравляли» плазму, безнадежно охлаждали ее. Ложка дегтя может испортить бочку меда, а одна булавочная головка тяжелых примесей - загубить железнодорожную цистерну термоядерной плазмы!
Тогда двинули на фронт лазерную артиллерию. То была артиллерия главного калибра. Группа советских физиков - академик Н. Г. Басов, В. А. Бойко, Ю. П. Воинов, Э. Я. Кононов, О. Н. Крохин, С. Л. Мандельштам, и Г. В. Склизков - предложила использовать «трехступенчатый лазер». Главный стержень его генерировал внушительную лавину квантов. Но затем, выражаясь образно, под Эльбрус подставили еще Два горных склона. На пути луча расположили еще два стержня из неодимового стекла. С помощью «лазерной накачки» в них создали особую, оптически возбужденную среду. Проносясь по этим стержням, лавина квантов безмерно возрастала. Получился генератор гигантских оптических импульсов. Когда их фокусировали в точку, то в горле схождения лучей, как бы воспламенялся воздух, вспыхивало облачко миллионоградусной плазмы, называемое «лазерной искрой». Концентрация энергии тут так велика, что «лазерную искру» сравнивают с лилипутской атомной бомбой. За стомиллионные доли секунды здесь неистовствовала мощность, сравнимая с Братской ГЭС!
Теперь надо было ввести луч внутрь вакуумной камеры, сфокусировать его на мишени из тяжелого элемента - грозно ткнуть лучевым копьем в пластинку кальция. Это сразу не получалось. Луч крошил фокусирующие линзы, и иллюминаторы. Наконец, его укротили. Приготовились снять спектр и сфотографировать сам процесс. К иллюминаторам прильнул многоглазый Аргус современной науки спектрограф, «лупа времени» - аппарат для сверхскоростной фотосъемки, и еще один небольшой рубиновый лазер, исполняющий обязанности фотовспышки.
Прогремели лазерные вспышки. За одну десятитысячную секунду было снято несколько фотографий, иллюстрирующих ход событий. При ударе лучевого копья о мишень началось молниеносное извержение. Над мишенью со скоростью, превышающей третью космическую, взвился пламенный факел, похожий на крохотный протуберанец. Впереди его бежала ударная взрывная волна. Температура слепящей плазмы достигала нескольких миллионов градусов. Ломоносов писал об «огненных валах», кипящих в солнечном океане. Брызги этих валов за сверкали на Земле перед спектроскопом. На полоске спектрограммы запечатлелись новые невидимые линии. Тщательно промерив их, ученые облегченно вздохнули. Сделалась объяснимой «сумасшедшая» желтая корональная линия, один из любопытнейших иероглифов солнечной короны. Эго была линия обычного атома кальция, потерявшего четырнадцать электронов!
Закончился астрофизический опыт то, что ранее вершилось лишь в бездне космоса, было воспроизведено на лабораторном столе. В одном комплексном поиске встретились три кита современного эксперимента и ракета, и «термояд», и лазер!
С уважением разглядываю я материалы опытов, словно карты маленького сражения в утверждение материального единства мира, словно протоколы дуэли за честь менделеевской таблицы. Я имею тут, и свой, особый интерес. Мне приятно получить подтверждение, что спектральные линии остаются основой для грядущих межзвездных связей. Ох, как дерзко дразнит воображение этот плазменный язычок перед тубусом спектроскопа!
Я гляжу на трубы спектроскопов, раскрывающих тайны галактик и атомов, помогающих управляться с множеством земных забот. Спектроскопист нажимает затвор, и крохотная радуга, пестрая, как фазанье перышко, впархивает в тубус спектроскопа. Сердце жжет охотничий азарт. Это объяснимо. Ведь натуре исследователей радуг свойственна тяга к неизвестному. Она чувствуется даже в детской поговорке, которой зашифрована радуга Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.
Читайте в любое время
