Микроскоп

Создание и усовершенствование прибора заняло не один век. Известно, что самый простой микроскоп можно получить с помощью линз. Самая древняя из них, сохранившаяся до наших дней, имеет возраст в 4,5 тысячи лет.

Для звезд и пылинок

Image

Когда немецкий археолог Генрих Шлиман нашел знаменитую Трою, в числе находок была большая плосковыпуклая линза диаметром 55 миллиметров. Ее анализ позволил установить, что линза была сделана за 2500 лет до нашей эры из горного хрусталя. А вот линзы из стекла люди сумели получить только в 600-400 годах до нашей эры в Месопотамии.

Однако линза - это составляющая микроскопа, но не сам он. Зато, совместив их в определенном порядке, можно получить два прибора - телескоп и микроскоп. Одним из первых, кто сделал попытку создать увеличительный прибор, считается итальянский врач Джироламо Фракасторо. В 1538 году он совместил несколько линз так, что получил большое увеличение. Это еще был не полноценный микроскоп, но серьезная заявка на его изобретение.

В 1590 году мастера по изготовлению линз и очков Ханс Янсен и его сын Захарий из голландского Мидделбурга придумали прибор, где совместили выпуклые линзы в одной трубке. При экспериментах они установили, что можно достигнуть значительного увеличения, если разместить линзы так, что расстояние между ними будет меньше фокусного расстояния более сильной линзы. С помощью полученной ими увеличительной трубки можно было наблюдать миниатюрные предметы во всех деталях. Увеличение микро-, скопа Янсенов составляло от 3 до 10 крат, а фокусировка достигалась за счет выдвижения тубуса.

В 1609 году знаменитый астроном Галилео Галилей обнаружил, что созданная им зрительная труба для наблюдений за небесными телами может быть и микроскопом. Для этого надо лишь посильнее разнести между собой стеклянные линзы. В 1624 году он презентовал в римской Академии деи Линчеи свой прибор «оккио-лино» («маленький глаз»), состоявший из выпуклой и вогнутой увеличительных линз. Позднее астроном, используя более короткофокусные линзы, серьезно сократил длину трубы-микроскопа. Это сделало ее более удобной для исследований. В 1625 году член Академии деи Линчеи Джованни Фабер предложил название «микроскоп», от греческих слов цікрос; («маленький») + сколеш («смотрю»).

После того как труба-микроскоп получила известность, началось быстрое усовершенствование конструкции. Известный физик Иоганн Кеплер заменил рассеивающую линзу окуляра собирающей. Из-за этого картинка в трубе перевернулась, но поле зрения стало шире, а вынос зрачка и увеличение - больше. Строго говоря, усовершенствование больше касалось телескопа, но и для микроскопа подошло идеально. Ведь он содержит объектив, обращенный к объекту, и окуляр, обращенный к глазу. Микроскоп на основе принципа Кеплера был создан в 1613-1617 годах.

От блох к клеткам

Image

Немалый вклад в эволюцию микроскопов внес голландский изобретатель Корнелиус Дреббель. Бывший крестьянин, применявший знания и магию, а науку совмещавший с шарлатанством, служил при дворе английского короля Якова I астрологом. В 1619 году в Лондоне он представил на суд публики новый прибор. В микроскопе Кеплера объективом служило двояковыпуклое стекло, дававшее увеличенное, но обратное изображение. Оно и рассматривалось при помощи окуляра, который играл таким образом роль лупы. Она увеличивала не сам предмет, а его изображение. Заслуга Дреббеля в том, что в конструкции он применил две линзы, а не как его предшественники - линзу и стекло. Это серьезно повысило кратность увеличения.

Несмотря на прогресс в создании оптических приборов, долгое время они не имели под собой теоретического обоснования. Человеком, устранившим этот пробел, стал голландский механик и астроном Христиан Гюйгенс. Он первым описал конструкцию микроскопа с двухлинзовой системой окуляров, которые регулировались ахроматически, благодаря чему микроскоп конструкции Гюйгенса используется и сегодня. Также Гюйгенс сформулировал теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления. А вот самостоятельно собирать микроскоп он не стал.

Английский физик Роберт Гук в 1664 году сделал прибор, благодаря которому он первым в мире увидел органическую клетку. Вследствие чего Гук предположил, что все живые организмы состоят из клеток - мельчайших единиц живой материи. Напечатанная в 1665-м Лондонским королевским обществом книга Гука «Микрография» стала бестселлером. Она содержала иллюстрации в увеличенном виде не только растительной клетки, но и более понятных для средневекового европейца блохи, вши, мухи и комара. Фактически «Микрография» представляла собой описание волшебных возможностей микроскопа. Кстати, термин «клетка» Роберт выбрал потому, что увиденная структура растения напомнила ему ограниченные стенами монашеские кельи.

Одним из тех, кто не просто восхищался «Микрографией», а рассматривал ее как инструкцию к действию, был голландский исследователь Антони Ван Левенгук. Несмотря на то что голландец делал упрощенные микроскопы с одной линзой, ее оптическая сила была велика. Поэтому уровень детализации и увеличения его приборов был наилучшим в те времена - до 300 раз. В свой микроскоп Левенгук первым увидел бактерии, дрожжи, сперматозоиды и строение глаз насекомых. Он же открыл инфузории и детально их описал. Труды голландца дали огромный толчок к развитию биологии и помогли привлечь внимание исследователей к микроскопу.

Громоздкие волны света

Image

Серьезной проблемой, мешавшей увеличить силу микроскопов, было явление хроматической аберрации -искажение изображения, когда лучи разных цветов (длины волны) не попадали в одну точку фокуса. Нивелировать ее пытался еще Исаак Ньютон, но пришел к выводу о невозможности подобного. Авторитет Ньютона был так силен, что многие физики и не пытались решать эту проблему долгое время.

В 1747 году член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер предложил свой вариант ахроматизации объектива. Он подразумевал создание сложного объектива из выпукло-вогнутых линз, а также применение двух различных видов оптического стекла (более легкого крона и тяжелого флинта). В 1802 году после выхода работы члена Петербургской Академии наук Франца Эл и нуса «Ахроматический микроскоп новой конструкции» был создан первый такой прибор с шестью объективами. Из-за устранения хроматической и сферической аберраций этот микроскоп стал одним из лучших приборов своего времени.

Развитие математики и оптики позволило в 1866 году немецкому астрофизику Эрнсту Аббе открыть число Аббе - безразмерную величину, используемую в оптике как мера дисперсии света в прозрачных средах. Благодаря волновой теории света Аббе доказал, что каждой остроте прибора соответствует свой предел возможности. Нельзя увидеть объект меньше полудлины волны (меньше 1/4 микрона). Благодаря теории Аббе, немецкая компания «Карл Цейсе» стала ведущим производителем микроскопов в мире.

Вот только уже в 1903 году физики Генри Зидентопф и Рихард Жигмонди придумали микроскоп, который обошел «запреты» Аббе. Для этого они «заливали» объекты наблюдения очень ярким светом, и те блестели как звезды в ночном небе. Рассмотреть их, конечно, было сложно, но уверенно можно было сосчитать их количество. Это открытие стало важным для микробиологии.

В начале XX века физики пришли к выводу, что разрешения даже лучших оптических микроскопов подошли к пределу. В конце 1920-х годов возникла идея использовать вместо света электроны, у которых длина волны в сотни раз меньше, чем у фотонов. Так началось развитие электронных микроскопов. В 1931 году немец Эрнст Руска начал создание первого электронного микроскопа по принципу просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и спустя два года создал электронный микроскоп, способный «рассмотреть» объекты размером в 500 ангстремов. Это серьезно превышало возможности оптических микроскопов. Конструкции микроскопов Руски, Руденберга и Мюллера стали стартом новой эры в развитии как микроскопов, так и квантовой оптики.