ЯК ВИВЧАЮТЬ МІКРО- І МЕГАСВІТ?

Запитання може видатися простим, — звичайно, за допомогою мікроскопів і телескопів. Так, ці засоби дослідники стали використовувати ще в XVII ст., хоча деякі оптичні властивості вигнутих поверхонь були відомі ще Евкліду (300 р. до н. е.) і Птолемею (127—151), однак їхню збільшувальну здатність не було застосовано практично. (Тож перші окуляри було винайдено Сальвінія діли Арлеаті в Італії лише в 1285 р. У XVI ст. Леонардо да Вінчі та Мауроліко показали, що малі об’єкти краще вивчати за допомогою лупи.) У 1619 р. голландський винахідник Корнеліус Дреббель придумав мікроскоп з опуклими лінзами, а наприкінці століття інший нідерландець — Християн Гюйгенс — презентував свою модель, у якій можна було регулювати окуляри. Більш досконалий пристрій придумав голландський натураліст, основоположник наукової мікроскопії Антоні Ван Левенгук. Він створив прилад з однією великою лінзою. Протягом наступних півтора століття цей прилад забезпечував найвищу якість зображення, тому Левенгука нерідко називають винахідником мікроскопа. Кращі лінзи Левенгука збільшували у 270 разів!

У 1931 р. вчений Роберт Руденберг запатентував новий прилад — електронний мікроскоп, який міг збільшувати предмети за допомогою пучків електронів. Через рік Ернст Руска створив прототип сучасного електронного мікроскопа, за що був у 1986 р. удостоєний Нобелівської премії. Уже наприкінці 1930-х років його винахід почали масово застосовувати в наукових дослідженнях. У той самий час фірма Siemens започаткувала випуск електронних мікроскопів для комерційного використання.

У 1986 р. було винайдено атомно-силовий мікроскоп. За його допомогою одержують зображення вірусів і бактерій, атомів і молекул, вивчають взаємодію двох об’єктів: вимірюють сили тертя, пружності, адгезії, переміщують окремі атоми, осаджують чи видаляють їх з певної поверхні. Японські дослідники перетворили атомний силовий мікроскоп на хірургічний інструмент, за допомогою якого можна прооперувати навіть одну клітину. Вони використали йонний промінь, щоб загострити стандартний силіцієвий наконечник силового мікроскопа й перетворити його на голку 8 мкм завдовжки і 200 нм завтовшки. Після вставляння такої голки в людську ембріональну клітину на стінці клітини утворюється «прокол» діаметром 1 мкм. Мембрана клітини швидко повертається до первісної форми, а голка залишається просунутою в ядро клітини. Нова технологія дає змогу вводити молекули в певні ділянки клітин. Зокрема, ланцюжки ДНК могли би бути вставлені безпосередньо в ядро, щоб перевірити нові методи генної терапії. Також стає можливим контроль над хімічним складом клітин у режимі реального часу.

У 2006 р. групою вчених під керівництвом німецького винахідника Штефана Хелля розроблено наноскоп. Новий пристрій дає змогу спостерігати за об’єктами розміром 10 нм і менше. Крім того, пристрій створює високоякісні тривимірні зображення об’єктів, що раніше було недоступно.

Мал. 2.5. Способи дослідження об’єктів мікросвіту

Однак дослідити властивості найменших об’єктів мікросвіту за допомогою найдосконаліших мікроскопів неможливо. Якими причинами обмежено наш доступ? Аби побачити який-небудь об’єкт у мікроскоп, необхідно його освітити так, щоб частинки світла (фотони) відбивалися й у достатній кількості потрапляли в окуляр і до нас в око. Але молекули й атоми можуть поглинати фотони й згодом випромінювати їх. До того ж, найчастіше, фотони взагалі пролітають повз молекули й атоми, не «помітивши» їх. У який же спосіб удалося «розгледіти» внутрішню структуру атома? — запитаєте ви. І як учені досліджують ядра атомів та складники ядер — протони й нейтрони? Пригадуєте уроки фізики й хімії? Хто й у який спосіб дослідив будову атома? Правильно, британський фізик, лауреат Нобелівської премії з хімії (1908) Ернест Резерфорд. Дослідження частинок такого масштабу відбувається під час їхніх зіткнень і за тими «слідами», які вони залишають. Що дрібніші масштаби досліджують учені, то більшу енергію необхідно надати частинкам, що стикаються. Цю енергію надають їм у спеціально сконструйованих пришвидшувачах, причому, що більшу енергію потрібно надати, то більшими мають бути розміри пришвидшувачів. Розміри сучасних апаратів сягають кількох кілометрів. Для того щоб просунутися ще більше вглиб мікросвіту, потрібні пришвидшувачі розміром із земну кулю.

Перші телескопи також почали використовувати в XVII ст. Сконструйований Галілео Галілеєм телескоп допоміг йому зробити низку астрономічних відкриттів. Пізніше, у 1656 р., Християн Гюйгенс створив телескоп зі стократним збільшенням. Саме такі телескопи зараз вважають аматорськими, їх використовують початківці-астрономи. Ісаак Ньютон дав нове життя телескопу, використавши дзеркальну систему, яку дотепер використовують у сучасних телескопах.

Мал. 2.6. Великий бінокулярний телескоп, Арізона, США

Нові технології та досягнення науки відкривали нові обрії для вдосконалення наземних телескопів. Уже подолано рубіж телескопів з діаметром дзеркала в 10 м, тож нові телескопи будуть удвічі-утричі більшими. Винайдення фотографії значно розширило можливості астрономічних досліджень.

Але не лише завдяки світлу досліджують небесні об’єкти. Як виявилося, вони випромінюють електромагнітні хвилі різних діапазонів. На початку ХХ ст. в астрономії почали використовувати фотопластинки, чутливі до різних хвиль. Потім було винайдено фотоелектронні помножувачі (ФЕП), електронно-оптичні перетворювачі (ЕОП). У сучасних телескопах як приймачі випромінювання використовують ПЗЗ-матриці.

ПЗЗ-матриці — абревіатура від слів: прилад із зарядовим зв’язком (англ. Charge-coupled device, CCD). Це пристрій, у якому під дією випромінювання генерують електричний сигнал, з яким можна проводити певні маніпуляції, наприклад, оцифровувати його.

Прилади використовують також у медицині, де потрібні зображення з високою роздільною здатністю.

Випромінювання від космічних об’єктів фіксують за допомогою радіотелескопів, рентгенівських телескопів та інших пристроїв (мал. 2.7). Нині астрономи здатні робити найнеймовірніші речі. Якби хтось запалив сірника на Місяці, то побачив би цей вогник. За найнезначнішими пульсаціями й коливаннями віддалених зір науковці можуть зробити висновки щодо розмірів, властивостей і навіть потенціальної заселеності планет, надто віддалених, аби їх побачити. Ці планети такі далекі, що нам би довелося летіти в космічному кораблі півмільйона років, аби дістатися їх. Сучасні телескопи здатні вловити таке надзвичайно слабке випромінювання, яке еквівалентне енергії сніжинки, що падає.

Мал. 2.7. «Китайське всевидюче око» — так охрестили новий телескоп «FAST» («Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope», «п'ятсотметровий сферичний радіотелескоп»)

Після першого запуску космічного апарату дослідження космосу почали проводити не лише із Землі, а й з космосу (мал. 2.8.). Важливою для астрономів подією був запуск 25 квітня 1990 р. на орбіту висотою 612 км космічного телескопа ім. Габбла. Нині в космосі працює низка інфрачервоних, ультрафіолетових, рентгенівських, гамма-обсерваторій, які досліджують небо в усіх діапазонах електромагнітних хвиль.

Мал. 2.8. Космічні телескопи: а) телескоп «Габбл» (англ. Hubble Space Telescope, HST) — американський оптичний телескоп, розташований на навколоземній орбіті 1990 року. Спільний проект NASA і Європейського космічного агентства (ЄКА); б) орбітальний телескоп «Кеплер» (англ. Kepler) — космічний телескоп НАСА, призначений для пошуків екзопланет. Був запущений 7 березня 2009 року з космодрому на мисі Канаверал у штаті Флорида

Зміст

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України