# Как нам повезло с Солнцем и Землей

Леонид Александрович Ашкинази

Как нам повезло с Солнцем и Землей


Зрение: дальность и разрешающая способность


Представление об окружающем мире человек на протяжении всей истории создавал в основном с помощью зрения. Могло ли оно быть устроено как-нибудь иначе, работать на других принципах? Например, змеи и летучие мыши имеют другие "зрения"; может ли человек воспользоваться их методами? А может быть, существуют еще какие-то "зрения", которые не освоил никто?


Зрение вообще, то есть возможность получать информацию об окружающих объектах, определяется двумя главными параметрами - дальностью действия и разрешающей способностью. Начнем с того что проще - с дальности. Для того, чтобы видеть далеко, нужна высокая чувствительность глаза - чем объект дальше, тем слабее сигнал. Чувствительность глаза близка к предельной - глаз способен зафиксировать одиночный квант, а десяток замечает надежно. Но есть и другие, внешние, ограничения. В чистом воздухе человек видит горизонт - а до него пять километров. Более того, человек видит горизонт, поднявшись на самую высокую гору - а в этом случае до него более трехсот километров. Забавное совпадение - в идеально чистом воздухе за счет рассеивания света на флуктуациях плотности дальность зрения ограничена примерно такой же величиной. То есть рассеивание света в атмосфере, то самое, из-за которого небо голубое, при расстоянии в триста километров создает такой фон, что объекты не будут видны в этом мареве.


В космическом пространстве зрению вообще раздолье - самые далекие звезды, которые человек видит без применения оптических инструментов, находятся на расстоянии около десяти тысяч световых лет, галактики - еще в сотни раз дальше. Но между Землей и Космосом в смысле применения зрения есть принципиальная разница. То, что мы видим на Земле, дало возможность построить хоть и ограниченную, но правильную картину мира. Там, где человек видел гору, было трудно влезть, где реку - вода и рыба. Но чтобы разобраться хотя бы в самых общих чертах, что мы видим в Космосе, потребовалось создать телескопы и другие оптические инструменты.


А что было бы, если дальность действия зрения была бы существенно меньше? Если бы она была, например, не километры, а метры - вследствие, например, меньшей прозрачности атмосферы? По-видимому, изменилась бы тактика освоения земной поверхности. Никаких плаваний по рекам и морям, тем более никаких полетов. Человек стал бы строить свои сооружения (и здания, и дороги) последовательно и по возможности непрерывно, "наползая" цивилизацией на поверхность Земли и лишь потом надстраивая свои сооружения вверх. Общество могло бы развиваться, техника и наука тоже, но представление о планете в целом если бы и возникло, то много позже. А представление о Космосе не возникло бы вообще - до момента, когда цивилизационная кожура доросла бы до границ атмосферы. Что по причине ограниченной прочности стройматериалов вообще было бы проблематично.


Сама возможность "дальновидения" существенно влияет на облик цивилизации, а ведь этого дальновидения могло бы в распоряжении человека и не оказаться.


Обратимся ко второму важному параметру зрения - разрешающей способности, то есть возможности различать маленькие объекты. Сетчатка глаза, на которой глазное яблоко и хрусталик создают изображение, состоит из отдельных клеток, "пикселей". Если объект настолько мал, что его изображение на сетчатке занимает клетку и менее, мы не можем воспринять его иначе, как точку. Если два объекта находятся на таком расстоянии друг от друга, что их изображение на сетчатке занимают соседние клетки, то мы не можем их разделить, воспринимаем их как один объект. Разрешающая способность зрения человека превосходит разрешающую способность тактильного анализатора, и именно благодаря ей мы различаем маленькие объекты, мелкую структуру поверхности, "фактуру".


Существенное ухудшение разрешающей способности, увеличение "пикселя", не просто изменило бы вид окружающего нас мира. Оно повлияло бы на наше отношение к нему, уничтожило бы стремление разобраться в мелочах, увидеть мелкие детали - потому что мы просто не знали бы, что они есть. Правда, если бы разрешающая способность зрения оказалась существенно хуже, чем тактильного анализатора, человек мог бы поставить задачу создать оптический прибор, позволяющий при низком разрешении самого глаза увидеть мелкие детали, то есть изобрел бы лупу. Но путь к этому оказался бы и не близким, и не факт, что вообще возможным. Потому что в этом случае для создания в мозгу полной картины потребовалось бы сканирование этой лупой поверхности и запоминание увиденного - большая и надежная оперативная память. Однако разрешение зрения могло бы оказаться ограничено не устройством глаза, а совершенно другими причинами. Человек с его биологией мог бы оказаться вообще не причем.


Причины ограничения дальности и разрешающей способности могли оказаться физическими. Для того, чтобы мы могли видеть далеко, излучение, с помощью коего мы видим, должно распространяться в атмосфере. А для того, чтобы мы могли разделять близкие маленькие объекты, длина волны этого излучения должна быть маленькой - порядка размеров объектов. Как у нас, на Земле и при свете Солнца, обстоит с этим дело?


Каким излучением мы видим


Нас со всех сторон окружает электромагнитное излучение, самое разнообразное, природное и искусственное. Человек освоил чудовищный диапазон волн с длинами, простирающимися более чем на 17 порядков - от сверхдлинных волн 4000 км для связи с подводными лодками до рентгеновского излучения с длиной волны менее 0,1 нм. И одному маленькому участочку с отношением длин волн около двух, посвящены толстые тома и шкафы таких томов. Участку спектра с длинами волн от 0,35 мкм до 0,65 мкм уделяется столько внимания именно потому, что в этом узеньком диапазоне мы посредством фотохимических процессов преобразуем электромагнитную волну в электрический сигнал в нервах, и потом наш мозг делает с ним нечто еще более загадочное. То есть мы видим.


Одно из свойств цивилизации - освоение большого диапазона размеров, 17 (опять совпадение!) порядков - от размера Земли до межатомных расстояний. Объекты размером с Землю - это маршруты самолетов и кораблей, межатомные - это полупроводниковые приборы. Причем для освоения краев диапазона, то есть верхних четырех порядков, от 10000 км до 1 км, и нижних семи порядков, от 1 мм до 0,1 нм, принципиально нужна письменная культура, "внешняя память". Потому что края диапазона мы не видим непосредственно, и человечество должно пользоваться приборами, познавать вместе, накапливать знания и обмениваться ими.


Но главное - нам дважды сильно повезло с Солнцем и Землей. Потому что Солнце излучает в диапазоне прозрачности земной атмосферы. Свети оно в той части ультрафиолетового или инфракрасного диапазона, в которых атмосфера не прозрачна - мы бы жили в темноте. Или свети оно как светит, но состояла бы атмосфера из газов, не прозрачных в указанном диапазоне - результат был бы тот же. Второе везенье в том, что длины волн оптического диапазона намного меньше размеров тех объектов, с которыми человек обычно имеет дело. Именно это позволяет узнавать форму объекта и характеристики его поверхности.


Излучай Солнце на больших длинах волн, трудно было бы создать чувствительный "глаз" (энергия кванта меньше), но даже если бы это произошло, трудно было бы получить большое пространственное разрешение. Некоторые змеи имеют инфракрасное зрение, но узкоспециальное - заметить теплокровный объект и пообедать. Можно было бы попробовать создать ультразвуковое зрение, как у летучих мышек, дельфинов и некоторых других животных. Оно у них реализовано на длинах волн около сантиметра - это позволяет обнаружить насекомое или рыбу, но не разобраться в деталях. Если укоротить волну (то есть поднять частоту) порядка на четыре, то разрешающая способность такого гиперзвукового зрения могла бы стать лишь на порядок хуже, чем электромагнитного, но гиперзвук с такими частотами поглощается в воздухе. Словом, нам крупно повезло - и с Солнцем, и с Землей.


Телескоп, микроскоп, очки и все-все-все


В смысле распространения оптического излучения среды делят на прозрачные и непрозрачные. Понятно, что такое деление условно, как и многие. Связано оно в первую очередь с практикой - в большинстве случаев вещества применяют в ситуациях, когда чем прозрачнее, тем лучше (линзы, призмы, окна), или прямо наоборот (зеркала). Промежуточные ситуации встречаются гораздо реже. Оптические свойства прозрачных сред характеризуют, прежде всего, коэффициентом преломления - тем самым, который входит в школьную формулу про угол падения, угол отражения и угол преломления. Поэтому, если мы хотим создать украшение, которое сверкает, нам нужно вещество с большим показателем преломления (например, алмаз). А если кусочек этого вещества огранить, то есть покрыть плоскими полированными гранями, мы получим искомое - объект (бриллиант), который падающий на него свет разделяет на много узких пучков света, попадающих нам в глаза и вызывающих ощущение сверкания. Которое ювелиры называют "игрой".


Есть и второе, существенно более важное применение оптических материалов, для которых важен коэффициент преломления. Он входит в формулу линзы - чем больше коэффициентом преломления, тем сильнее преломляет линза при той же геометрии. То есть тем легче очки и компактнее другие оптические приборы.


Какие вообще бывают коэффициенты преломления? У газов коэффициенты преломления мало отличаются от единицы, и они вообще мало кого волнуют - кроме астрономов. Если зимой открыть окно и посмотреть, как елозит пейзаж... или просто посмотреть вверх, вспомнив не знаю кем сказанное "человек отличается от известного животного тем, что иногда поднимает глаза к небу", и заметить, как загадочно подмигивают начинающим интересоваться физикой звезды... и задуматься, почему елозит и подмигивают... Движение в атмосфере потоков воздуха с разной температурой, а значит, с разной плотностью и коэффициентом преломления, и вызывает дрожание и размывание изображения. У астрономов есть такое понятие - астроклимат, то есть атмосферные условия, влияющие на качество изображений, в это входит и однородность воздуха.


Жидкости с высокими коэффициентами преломления называют "иммерсионными", от лат. immersio - погружение. Их применяют для определения показателей преломления - прозрачную частичку исследуемого вещества помещают в иммерсионные жидкости с известными n, при равенстве преломлений она делается невидимой. Стандартные наборы состоят из 30-100 таких жидкостей с коэффициентами преломления (n), начинающимися с 1,4. Эти жидкости готовят из смесей керосина и йодистого метилена CH3I (до n = 1,74) и далее - растворов серы в йодистом метилене (n = 1,74-1,78). Дальше начинаются совсем уж страсти - растворы в нем серы, иодида олова, сурьмы и фосфора и серы (до n = 2,06), растворы серы и сульфида мышьяка в трибромиде-селениде мышьяка (до n = 2,02) и сульфида мышьяка в трибромиде мышьяка (до n = 2,11).


Но твердые вещества все равно берут верх. Хотя стекла еле дотягивают до n = 1,9, но у алмаза n = 2,4, рядышком с ним - титанаты кальция и стронция и иодид таллия (n = 2,4), оксид титана (n = 2,5) и почти рекордсмен карбид кремния, SiC (n = 2,6). Именно поэтому SiC, муассанит, используется как имитатор бриллиантов в украшениях (а также фианит ZrO2 с добавками - но у него n поменьше). Недавно было синтезировано соединение Al3C2B48 с рекордным значением n = 2,9-3,1, но про него еще мало что известно.


Теперь немного об экзотике. Если упорядоченно расположить в среде из одного материала много маленьких включений из другого материала, то мы получим композит, композиционный материал. Обычно первым композитом называют железобетон, но это ошибка - бетон сам по себе уже композит, и вообще человечество знало композиты еще в древнем Египте, когда добавляло солому в глину при изготовлении кирпичей.


Если среда - диэлектрик, а расположенные упорядоченно включения - проводник, то полученный композит может иметь необычные свойства по отношению к электромагнитному излучению. Например, при определенной форме включений он может иметь очень высокий коэффициент преломления (и не при каких попало длинах волн, а при тем более коротких, чем мельче включения). Скажем, при размере включений 0,06 мм и определенной их форме, был получен коэффициент преломления n = 33 на волне 1 мм - это, конечно, еще не оптический диапазон, но ведь и 0,06 мм для современной техники еще не предел. Например, уже предлагались антенны из нанотрубок для прямого преобразования энергии света в электричество, причем не через фотохимию, как в глазах, а напрямую, как в той антенне - посмотри в окно - что на крыше.


За границами видимого


Освоив оптический диапазон, человек стал распространяться на соседние участки электромагнитного спектра. Для этого ему потребовались прежде всего оптические материалы, в частности - прозрачные для всякого рода окошек и преломляющие для линз и призм. То есть потребовался материал, "прозрачный" в соответствующей области спектра, то есть не слишком сильно поглощающий излучение. Упрощая, можно сказать, что обычное стекло прозрачно в диапазоне 0,35-2 мкм, то есть ультрафиолет (УФ) оно не пропускает, а инфракрасное излучение (ИК) - частично. Конечно, эти значения, обычно приводящиеся в справочниках, условны - достаточно тонкая пленка любого материала пропустит любое излучение. Но обычно оптики работают с миллиметрами и требуют пропускания большей части излучения. Естественное решение - кварц. И вот диапазон расширяется в сторону УФ до 0,2 мкм. Есть особые сорта стекол с немного большим доступом в ИК. На этом возможности стекол исчерпаны. В сторону УФ чуть дальше кварца забираются CaF2 и MgF2 - до 0,12 мкм, и дальше всех LiF - до 0,11 мкм. Со стороной ИК дела обстоят лучше: материалов много, а рекордсменами будут CsBr, прозрачный до 50 мкм, и CsI - до 60 мкм. Оригинальна ситуация с Si - он прозрачен до 10 мкм, потом непрозрачен, а потом опять прозрачен, начиная с 30 мкм (конкретные цифры зависят не только от критерия прозрачности, но еще и от примесей в материале). Практически непрерывно прозрачен алмаз. Вообще же оптические материалы при увеличении длины волны прозрачны в основном начиная с 200-300 мкм, SiO2 - с 100 мкм, ZnS - с 50 мкм. То есть самая сложная область - десятки мкм. Что касается коэффициента преломления, то для материалов ультрафиолетового диапазона он составляет около 1,4, для инфракрасных - группируется вокруг 1,7. Исключения - Si (n = 3,4), Ge (n = 4,1) и, конечно, алмаз.


Если все-таки говорить о пластинках толщиной в миллиметры, то для волн короче 0,1 мкм с прозрачными материалами дела обстоят плохо, то есть почти никак. Поэтому приходится довольствоваться отражательной оптикой. Но и тут все не здорово - металлы в диапазоне УФ отражают плохо. Например, Ag при длине волны более 0,4 мкм отражает, как и положено уважающему себя металлу, 95 % и более, но при 0,25 нм отражает только 30 %. С остальными металлами дело обстоит еще хуже, разве что Al, причем именно при 0,25-0,4 мкм, ведет себя лучше (отражает 90 %). Вот они вдвоем и изображают из себя рекордсменов. Поднять отражение, и существенно, удается "просветлением", нанесением на металл интерференционных покрытий. Так удается получить отражение 50 % на волне 0,01 мкм - а ведь это уже почти рентген.


Жидкости в качестве "оптических материалов" используются весьма редко. Кроме указанных выше случаев известно использование в астрономии некоторых жидкостей для заполнения полостей в объективах. Оптические свойства жидкостей в инфракрасной области используются очень широко - но не оптиками, а химиками (для анализа жидкостей). Соответственно, и оптические свойства газов используются для исследования смесей газов, важны эти свойства и для расчета тепловых процессов в атмосфере. Есть, правда, один случай, когда смесь газов (а именно - атмосфера) используется как оптическая среда - при лазерной связи. Но тут нет выбора, атмосфера уж какая есть, такая и есть, и связисты говорят об "окнах прозрачности". Для обычной атмосферы это окно 0,3-1,3 мкм, окошки 1,5-1,8 мкм, 2,0-2,6 мкм, 3,5-4,0 мкм, 4,3-5,5 мкм, окна 7,0-15,0 мкм и 30-70 мкм, форточки в районе 1 мм и 3 мм и наконец - начиная с 1 см и далее. И еще в одной ситуации важно добиться предельно малого поглощения (естественно - это тоже дальняя связь). Только не по воздуху, а по стеклу.


Оптоволокно, поглощение, рассеивание


Лет десять назад писали, что половина всей информации, которой обмениваются люди, побывала где-то по дороге в оптоволоконном кабеле. Сейчас, наверное, не половина, а почти вся. Физику работы оптоволокна, световода, начиная со школьного учебника и до уравнений длиннее строки, можно расписывать долго. Детективная история его возникновения, включающая догадку, энтузиазм, авантюризм, неумение реализовать идею, коммерческую хватку и много другое - как всегда! - потянет на книгу. А уж технология-то - о ней можно написать не книгу, а книжную полку. О преимуществах оптоволокна перед другими способами передачи сигнала тоже можно было бы поведать, но с точки зрения материаловедения важно, из чего их делают, какие параметры этого "чего" важны, и какие на сегодня в этой области есть достижения.


Оптоволокно для передачи сигнала на большое расстояние делается из SiO2, то есть кварца. Главный параметр оптоволокна - способность передавать сигнал с малыми искажениями на большое расстояние. Искажения и потери зависят от материала, конструкции и эксплуатации. Конкретно - от материала нужны малые потери (то есть поглощение и рассеивание) и дисперсия. Чтобы уменьшить потери, нужно использовать диапазон 1,2-1,7 мкм и уменьшать примеси Fe, Cr, Cu,Co, V, Mo, OH-групп. Именно выяснение причин потерь и получение кварца с низким содержанием этих примесей дало в свое время возможность начать активно применять световоды. С тех пор потери уменьшены примерно раз в сто, сегодня рекорд - 0,15 дБ/км, причем это почти теоретический предел (предел - "релеевское рассеивание", то самое, из-за которого небо голубое, оно дает 0,13 дБ/км). Заметим, что для реализации механизма работы световода нужен способ управления коэффициентом преломления, и тут нам повезло - есть примеси, которые влияют на n, но не вызывают больших потерь (а именно, F и B понижают n, а Al, Ge, P увеличивают). Тут если и идет речь о рекордах, то скорее о рекордах и достижениях технологии, обеспечивающей низкую концентрацию вредных примесей и оптимальную - полезных, причем еще и переменную по сечению волокна.


Вообще в технике не так уж много областей, для которых нужны сверхчистые вещества. Общеизвестный пример - полупроводниковая техника: многие примеси катастрофически влияют на свойства. Другой пример - атомная техника: например, в реакторных материалах должна быть мала примесь веществ, поглощающих нейтроны (B, Li, Cd). Оптоволокно с концентрацией примесей порядка 10-8 % по массе - третий пример.


Вне диапазона 1,2-1,7 мкм потери в SiO2 увеличиваются, а использовать видимое и более далекое ИК-излучение тоже хочется. Поэтому для видимого диапазона существует оптоволокно из "обычных" стекол - натрий-кальций-кремний (Na2O-CaO-SiO2) или натрий-бор-кремний (Na2O-B2O3-SiO2). В ИК-диапазоне применяют фторидные (например, на ZrF4-BaF2) и халькогенидные (As2S3, As2Se3) стекла, а также кристаллические материалы на основе TlCl, AgCl. Разнообразие материалов этих групп довольно велико и выделить лучшие трудно - пока что потери в них всех довольно велики и используют их для передачи только на короткие расстояния. Но теоретически в оптоволокне из этих материалов возможно достижение даже лучших параметров, нежели в SiO2, поэтому нас еще ждут приключения. И эти приключения могут стать вашими.


Иллюстрации


Фото 1, 2

Линзы на радиостанции, чтобы читать мелкую шкалу


Фото 3

Капли воды как линзы (фото Натальи Сьяновой, остальные - автора)


Фото 4

Отражения и отражения с преломлением от бриллианта (внизу) освещенного зеленым лазером сверху


Фото 5

Оптические детали из бромида калия, пропускающие инфракрасное излучение, справа - плоскопараллельное окно кюветы, слева - линза


Фото 6

Полупроводниковая схема памяти с окошком из кварца, пропускающая УФ-излучение - для стирания информации


Фото 7

Слева - кремниевое окно для пропускания ИК-излучения, справа - куски кремния


Фото 8

ИК-фотография автора, шкала температур справа, холоднее всего - фотоаппарат, который автор держит в руках


Фото 9

Черные пластины на банкоматах - ИК-фильтры, за ними - лампы, поэтому камера банкомата видит, кто перед ним стоит и в темноте, причем человек не видит, что его освещают


Фото 10

Под камерой - ИК-прожектор


Фото 11

Под камерой - ИК-прожектор, светодиоды, окружающие объектив, тоже излучают и фотоаппарат частично видит это излучение