С. Кин.
В мире, который нас окружает, только ничтожная часть всех явлений доступна непосредственному наблюдению при помощи человеческих чувств. Мы очень мало знали бы о внешнем мире, если бы при изучении его ограничились только такими несовершенными «приборами», как наш глаз или ухо. И важнейшая задача современной физики — это стремление проникнуть в область тех явлений, непосредственное наблюдение которых недоступно вследствие ограниченности наших чувств. Для того чтобы наблюдать эти явления, приходится «вооружать» наши чувства приборами, гораздо более чувствительными и совершенными, чем ухо или глаз, и уже с помощью этих приборов изучать явления, лежащие за пределами непосредственного наблюдения.
Так, например, за пределами человеческого зрения лежит огромный и гораздо более разнообразный, чем область видимых явлений, микроскопический мир, проникнуть в который удалось только благодаря лупе и микроскопу. Но даже самый сильный микроскоп позволяет наблюдать только небольшую, наиболее доступную область микроскопического мира и не дает возможности разглядеть отдельные мельчайшие частицы, из которых построено всякое вещество — атомы и молекулы. Так что за пределами «разрешающей способности» самого сильного микроскопа все же остается пока совершенно недоступная область — «мир атома».
Не лучше, по крайней пере, до последнего времени обстояло дело с наблюдением явлений, происходящих с большой скоростью. При исследовании этих явлений приходится поступать примерно так же, как при изучении микроскопического строения какого-либо тела с помощью микроскопа. Для того чтобы проследить какое-либо быстро происходящее явление во всех его стадиях, нужно разложить его на отдельные мелкие части и изучать каждую из этих частей отдельно. Только таким образом можно проследить какое-нибудь быстро происходящее явление от начала до конца.
Чаще всего с быстро происходящими процессами приходится сталкиваться в области электрических явлений. Колебания высокой частоты в ламповом генераторе, разряд конденсатора через сопротивление или искровой промежуток, колебания в сети в момент включения напряжения, — все эти явления происходят в течение тысячных, а часто даже миллионных долей секунды. Между тем, для изучения таких процессов их необходимо как-то записать, чтобы потом по этой записи судить об отдельных стадиях процесса. Конечно, лучший и наиболее точный способ записи — это фотография. Но нельзя фотографировать весь процесс целиком, так как на фотографии отдельные его стадии покроют друг друга и их невозможно будет различить. Поэтому при фотографировании этих процессов приходится поступать так же, как и при киносъемке движущихся предметов, то есть снимать процесс не на неподвижной пластинке, а на движущейся фотопленке. Таким образом на отдельных участках пленки записываются различные стадии процесса, которые можно потом исследовать и изучать. И если фотопленка движется достаточно быстро, то на ней можно будет разглядеть сравнительно мелкие детали процесса, соответствующие времени в одну тысячную или даже десятитысячную долю секунды.
Между прочим, этот именно способ употребляется при киносъемках для осуществления так называемой «лупы времени». Фотопленку в съемочном киноаппарате пускают с большой скоростью, в несколько раз превышающей нормальную. Если отпечаток снятой таким образом кинопленки пропустить через проекционный аппарат с нормальной скоростью, то все движения на экране будут происходить гораздо медленнее, чем в действительности. Именно при помощи «лупы времени» в кино часто снимают прыжки, бег и другие быстрые движения.
Для того чтобы вести запись какого-либо электрического процесса на кинопленке, применяют легкие зеркальца, подвешенные на тонких проволочках («шлейфах») в сильном магнитном поле. Электрические токи, запись которых нужно произвести, пропускают через шлейф, отчего он вместе с подвешенным на нем зеркальцем начинает колебаться, следуя всем изменениям электрического тока. Пучок света, отраженный от колеблющегося зеркальца, попадает на движущуюся фотопленку и записывает на ней все изменения силы тока, то есть все последовательные стадии процесса. Такие приборы называются «шлейф-осциллографами».
Как мы уже сказали, на осциллограммах, снятых при помощи шлейф-осциллографа, можно разглядеть детали процесса, соответствующие времени в одну или несколько тысячных долей секунды. Но изготовить шлейф-осциллограф, который позволил бы разглядеть меньшие промежутки времени, не удается по целому ряду причин. Во-первых, шлейф и зеркальце, как и всякое механическое тело, обладают некоторой инерцией, и их нельзя заставить двигаться как угодно быстро. Далее, при очень быстрых движениях зеркальца, на отдельные точки пленки будет попадать очень мало света, и запись будет получаться очень бледной и неясной. Словом, шлейф-осциллографом можно пользоваться как «лупой времени», но его нельзя превратить в «микроскоп времени».
Между тем среди быстрых электрических процессов есть много таких, которые все целиком протекают в стотысячные или даже миллионные доли секунды. И для того чтобы изучать эти процессы, нужно иметь возможность рассматривать отдельные их детали, соответствующие промежуткам времени в десятимиллионные или даже стомиллионные доли секунды.
Справиться с такой задачей может, конечно, уже не «лупа, времени», а микроскоп времени», дающий очень большое «увеличение».
Эту, казалось бы, невыполнимую задачу — построить «микроскоп времени», который давал бы возможность наблюдать явления, происходящие в течение стомиллионной доли секунды, блестяще разрешил немецкий ученый профессор Роговский. Над созданием «микроскопа времени» проф. Роговский работал втечение многих лет, но зато результаты, которых он достиг, поистине поразительны.
Само собой понятно, что для записи явлений, длительностью в одну стомиллионную долю секунды было бы безнадежным делом попытаться применить зеркальце. Ведь даже самое легкое зеркальце нельзя заставить двигаться с такой скоростью, чтобы в одну стомиллионную долю секунды оно могло хоть сколько-нибудь заметно переместиться. Ясно, что для получения таких скоростей нужно применить тела, не обладающие практически никакой инерцией и отличающиеся совершенно неограниченной подвижностью. Но самые легкие и подвижные тела, которые мы знаем, это электроны. И еще одно очень существенное преимущество электронов, как средства для записи быстрых электрических процессов, заключается в том, что электронами легко управлять. Так как электроны представляют собой отрицательные электрические частицы, то под влиянием электрического поля они отклоняются в направлении, противоположном направлению этого поля.
Для использования электронов, как средства записи быстрых электрических процессов, служит так называемая «трубка Брауна» — родная сестра обычной электронной лампы, хорошо знакомой всем радиолюбителям. Трубка Брауна (рис. 1) которую применил для своего «микроскопа времени» проф. Роговский, представляет собой стеклянный сосуд, из которого, также как из электронной лампы, выкачан весь воздух и внутри которого расположено несколько электродов. Нить (катод) К, накаливаемая током от батареи Бн, служит (как и в обычной электронной лампе) источником, доставляющим необходимое для работы трубки количество электронов. Второй электрод — анод А имеет в середине маленькое круглое отверстие. Между нитью и анодом включается анодная батарея БА, создающая электрическое поле, направленное от анода к нити. Под влиянием этого поля электроны, выделяемые нитью, летят по направлению к аноду. Часть из них попадает на анод, но некоторая доля электронов проскакивает через отверстие в аноде и летит узким пучком по направлению к противоположному концу трубки. Таким образом отверстие в аноде играет роль диафрагмы. Из всего электронного потока оно выделяет узкий пучок электронов, причем скорость этого пучка будет тем больше, чем выше напряжение анодной батареи. Если на своем пути поток электронов не подвергнется никаким воздействиям, то он будет двигаться прямолинейно и попадет как раз в центр экрана Э, то есть в точку О. Экран же покрыт специальным составом, который дает вспышки света в тех точках, в которые попадают ударяющие в него электроны. Следовательно, когда трубка включена, мы увидим в центре экрана светящуюся точку. Но после того, как пучок электронов прошел через отверстие в аноде, он проходит еще между двумя управляющими электродами (У). Если между этими электродами нет напряжения, то на распространение пучка электронов управляющие электроды никакого влияния не окажут. Если же к электродам подведено какое-либо напряжение, то между ними образуется электрическое поле, которое заставляет пучок электронов отклониться в направлении, противоположном направлению поля. Электроны будут притягиваться к положительно заряженному электроду, на нашем рисунке — верхнему, и, следовательно, весь пучок электронов отклонится кверху (как указано на рисунке), и вместе с тем светлая точка на экране подымется кверху. Но если напряжение, подводимое к управляющим электродам «У», все время меняется, то и направление пучка электронов, а вместе с тем и расположение светлой точки на экране все время изменяется. И так как пучок электронов очень подвижен, то светлая точка на экране будет в точности следовать за всеми изменениями напряжения, подводимого к управляющим электродам, как бы быстро это напряжение ни менялось.
Но при таком устройстве трубки светлая точка на экране будет двигаться все время сверху вниз и обратно по одной и той же вертикальной прямой, и отдельные стадии изображения будут накладываться друг на друга. Чтобы избежать этого и получать отдельные части изображения на различных участках экрана, поступают так. Накрест с первыми управляющими электродами «У» ставят пару дополнительных электродов «Д» (рис. 2). Эти электроды, так как они расположены накрест с первыми, будут отклонять пучок не вертикально — сверху вниз, а горизонтально, например, справа налево. К этим двум дополнительным электродам подводят напряжение постоянное по направлению, но быстро уменьшающееся по величине (например, напряжение от маленького конденсатора, быстро разряжающегося через сопротивление). Тогда весь пучок, кроме того, что он отклоняется вверх и вниз под влиянием напряжения на электродах «У», будет еще быстро перемещаться по экрану втечение всего наблюдения в одном и том же направлении, например справа налево. И если напряжение на добавочных электродах изменяется очень быстро, то пучок электронов может пробежать по всему экрану в течение очень малого промежутка времени (для этого, например, можно к управляющим электродам подводить напряжение от маленького конденсатора, разряжающегося через маленькое сопротивление). Трубку Брауна, для пояснения ее действия, можно сравнить, как это делает проф. Роговский, с пулеметом (рис. 2). Пули, вылетающие из пулемета, соответствуют электронам, вылетающим из нити. Сквозь отверстие в щите, соответствующее отверстию в аноде трубки, пули пролетают по направлению ко второму щиту (мишени). Но по дороге пули отклоняются двумя потоками ветра, направленными накрест друг друга. Эти потоки соответствуют электродам У и Д. Если один поток дует все время с постепенно уменьшающейся силой, а другой — с силой, изменяющейся периодически, то пули на втором щите улягутся так, как указано на рисунке. Если скорость полета пуль и изменения силы первого потока ветра точно известны, то по кривой, «вычерченной» пулями, легко определить характер изменений другого, непостоянного потока ветра.
И как пули «вычерчивают» изменения потока ветра, так электроны в «электронном пулемете» — в брауновской трубке — вычерчивают все изменения того напряжения, которое должно быть исследовано, и которое подводится к электродам «У».
Итак, при помощи «электронного пулемета» можно получить изображение электрических процессов, протекающих с фантастической скоростью и продолжающихся миллионные доли секунды. Но этого мало — нужно еще эти изображения сфотографировать. Между тем, свечение, которое вызывает на экране пучок электронов, движущихся с такой большой скоростью, настолько слабо, что ни разглядеть его глазом, ни сфотографировать это свечение не удается. То есть, другими словами, заметного свечения на экране при таком быстром движении пучка вообще не получается. И вот тут-то профессор Роговский сделал самый остроумный и блестящий ход. Он отказался от попыток сфотографировать невидимое свечение и поместил фотографическую пластинку внутрь брауновской трубки вместо экрана. Удары электронов действуют на эмульсию на фотопластинке так же, как и луч света, т. е. разлагают ее. Но, конечно, непосредственный удар электрона оставляет на фотопластинке гораздо более заметный след, чем то свечение, которое этот удар вызвал бы на экране. Словом, профессор Роговский в своем «катодном осциллографе» — так называется этот «микроскоп времени» — в точности воспроизвел пулемет, но пули заменил электронами.
Поместить фотопластинку внутрь катодной трубки, в которой должен поддерживаться очень высокий вакуум, — это задача далеко не легкая. Но все трудности ее удалось преодолеть, и теперь в лаборатории профессора Роговского уже делаются сверхмоментальные фотографии с «выдержкой» в миллионные доли секунды. Для примера на рис. 3 и 4 приведены две такие фотографии. Первая из них снята с «выдержкой», примерно, в одну пятимиллионную долю секунды и, следовательно, один миллиметр длины этой фотографии соответствует промежутку в одну трехсотмиллионную долю секунды. На этой фотографии записаны колебания, получающиеся при включении в кабель напряжения в 5 000 вольт. Вторая фотография (рис. 4) сделана с «большой», сравнительно, выдержкой в одну миллионную долю секунды — на ней записаны колебания в средних витках катушки самоиндукции, происходящие при включении напряжения в эту катушку.
Итак, «микроскоп времени» позволяет «разглядеть» промежутки времени в одну миллиардную долю секунды — этому соответствует расстояние в 0,3 мм на фотографии рис. 3, а ведь 0,3 мм это длина, которую еще легко можно различить невооруженным глазом. С помощью «микроскопа времени» можно изучать процессы длительностью в одну стомиллионную долю секунды, и эта возможность не только имеет огромное практическое значение, она интересна и с принципиальной стороны. Дело в том, что, согласно взглядам современной науки, все процессы, происходящие внутри атома, — это процессы чрезвычайно быстрые, но наиболее продолжительные из этих внутриатомных процессов соответствуют примерно времени в стомиллионные доли секунды. И если обычные микроскопы настолько несовершенны, что с помощью лучшего из них невозможно разглядеть отдельные атомы, то «микроскоп времени» позволяет разглядеть такие ничтожно малые промежутки времени, которые приближаются к продолжительности внутриатомных процессов.