Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Другое достижение, которым физика обязана открытию Рентгена, — рождение новой науки — рентгеновской астрономии. В космосе находится множество источников этого невидимого излучения, о природе которых астрофизики могут судить благодаря специальной технике, оснащенной детекторами X-лучей. Наиболее впечатляющим открытием рентгеновской астрономии стало обнаружение звезд класса нейтронных пульсаров, периодически испускающих в пространство X-лучи. Природа этих объектов до конца не изучена, астрофизики не могут с полной уверенностью сказать, что именно заставляет эти светила вести себя столь необычным образом. Однако у ученых появилась рабочая гипотеза.
Пульсар, вещество которого давно подверглось нейтронизации, является частью двойной системы, куда входит нормальная плазменная звезда. Нейтронизация вещества означает, что все электроны пульсара под действием его же собственной гравитации были вжаты в протоны, которые в результате утратили заряд и превратились в нейтроны.
Почти все сверхплотное вещество такой звезды состоит из сильно сжатых нейтронов. Пульсары обладают большой массой и перетягивают на себя часть плазмы от своей соседки — нормального светила. Поэтому на поверхность нейтронной звезды, как на гигантский анод, обрушивается поток электронов, испускающих рентгеновские лучи, которые регистрируются астрономическими приборами.
В числе наиболее значимых изобретений, основанных на использовании невидимых лучей, следует назвать устройства, благодаря которым было сформировано одно из главных направлений в медицинской диагностике — рентгенография и ее разновидности. Первый медицинский рентгенографический снимок был выполнен первооткрывателем X-лучей. Речь идет о фотографии кисти Рентгена. Этот снимок физик сделал самостоятельно.
Первым человеком, который понял необходимость широкого применения просвечивающей рентгеновской техники в медицинской диагностике, была жена и помощница П. Кюри, одна из пионеров исследования радиоактивности М. Склодовская-Кюри. В годы Первой Мировой войны (1914–1918 гг.) она старательно убеждала врачей и правительства европейских стран применять невидимые лучи при обследовании раненых бойцов и всячески способствовала постройке и внедрению в практику рентгеновских аппаратов.
Под ее руководством были разработаны ранние модели медицинских рентгенографических установок. Склодовская-Кюри лично обучила работе на этих аппаратах 1500 врачей, положив начало медицинской рентгенографии. В нашей стране первые аппараты рентгеновской диагностики появились в 1947 г. Это были установки под серийным номером РУМ-2, разработанные руководителем физической лаборатории Московского рентгенорадиологического института В. В. Дмоховским.
Существенным недостатком рентгена является наличие т. н. теней на снимках. Они создаются органами и тканями, изображения которых накладываются на пленку и перекрывают собой основное изображение. Поскольку и теневые проекции, и проекция нужного участка организма лежат в одной плоскости, то получается смесь из нечетких, размытых образов. Естественно, современная рентгеновская аппаратура и уровень квалификации специалистов почти не оставляют возможности неправильного прочтения снимков.
Тем не менее во многих случаях расшифровать рентгенограмму оказывается очень трудно. Нетипичные же ситуации приводят к тому, что снимки вносят путаницу. Чтобы наверняка освободиться от этого недостатка рентгеновского аппарата, английский физик Г. Хаунсфилд в 1960-х гг. решил применить для обработки информации, получаемой с помощью рентгена, компьютеры. В то время вычислительная техника оставляла желать лучшего, поэтому Хаунсфилду пришлось ждать 10 лет, пока не появятся технологии, отвечающие поставленной задаче.
В 1972 г. ученым был построен первый в мире компьютерный томограф. Изображение в этом диагностическом аппарате не отпечатывается на фотопластинке, а строится самим компьютером. Первоначально электронный мозг подбирает в соответствии с программой ширину рентгеновского луча, которая должна равняться ширине исследуемого слоя тканей. Затем рентгеновская трубка вращается вокруг человека, луч проводит сканирование выбранного участка. Компьютер измеряет плотность разных тканей и органов по интенсивности поглощения луча, после чего преобразует принятый детектором сигнал в цифровое сообщение.
На основе построенной цифровой модели исследуемого слоя воссоздается изображение. Так, послойно, можно рассмотреть любой орган. Толщина слоев такова, что никаких теней от соседних тканей не наблюдается. Качество послойных томографических снимков мало чем уступает качеству и наглядности анатомических срезов. Но если последние можно получить лишь посредством препарирования трупа, то томограф дает картинку организма живого человека.
Вводя контрастные вещества во внутренние органы, врач может наблюдать на экране аппарата даже протекание ряда физиологических процессов. Наиболее впечатляют исследования мозга, т. к. ученые благодаря томографии получили уникальную возможность наблюдать чуть ли не течение мысли.
Великий философ античности Аристотель (IV в. до н. э.) задавался вопросом о чувствах и символах. Мыслит ли человек символами (словами и числами) или же облекает в символическую форму естественные ощущения? Философ заключил, что ощущения первоначальны и главенствуют, а слова и прочие символы изобретаются позднее. С Аристотелем многие не соглашались. Томография показала, что мудрец был прав: человек изначально обрабатывает информацию через органы чувств.
Впрочем, посредством компьютерных томографов можно исследовать и мертвые тела. Это делается тогда, когда анатомическое препарирование может повлечь за собой серьезные повреждения. Например, ученые долгое время не могли исследовать знаменитые египетские мумии, поскольку снятие бинтов превратило бы тела в прах. Томограф выявляет ткани любой плотности и создает цветное изображение, на котором четко видны границы органов и пр.
Нашумевшее обследование на компьютерном томографе мумии царской певицы и танцовщицы Табес позволило открыть немало секретов бальзамирования, а также особенностей физиологии и патофизиологии людей, живших около 3000 лет назад. Так, по нарушениям костной ткани черепа удалось узнать, что 30-летняя женщина умерла от опухоли мозга.
Три тысячелетия — не предел для компьютерной томографии. Три миллиона лет назад жил «бэби из Таунга» — пятилетний малыш, череп которого был обнаружен в 1925 г. известным палеоантропологом P. Дартом в ЮАР. Тогда, в 1920-е гг., находка не вызвала ни малейшего интереса. Теперь череп ребенка тщательно исследуется на томографах. И неудивительно, ведь малыш является переходным звеном между обезьяной и человеком.
Деление ядра
Атомное ядро является самой массивной и наиболее важной частью атома. Он обладает какими-либо постоянными химическими свойствами и остается неделимым до тех пор, пока цело его ядро. Ядерные силы, связывающие заряженные частицы, которые входят в его состав, позволяют атому не расщепляться под любым химическим воздействием и иметь валентные свойства.
Ясно, что эти силы в масштабах своего действия колоссальны. Таким образом, атомное ядро насыщено огромной энергией. Выделение ее из ядер для промышленных нужд было освоено человеком всего около 50 лет назад и стало одним из крупнейших достижений науки. Оттого прошедшее столетие называют атомным веком.
Открытие радиоактивности
Поскольку атом химически неделим, то о его расщеплении никто не мог даже думать до конца XIX в. Лишь в 1896 г. француз А. Беккерель открыл природное явление, впоследствии названное радиоактивностью. В то время ученый мир был потрясен сообщением В. Рентгена об обнаружении невидимых X-лучей, обладающих высокой проникающей способностью. Многие физики увлеченно занимались их исследованием и ставили разнообразные опыты для получения новых сведений о возможностях загадочных лучей.
Беккерель также проявил живой интерес к открытию Рентгена и даже выдвинул собственную гипотезу о природе X-лучей. По мнению Беккереля, невидимое излучение возникает после длительного воздействия солнечных лучей на некоторые вещества. То есть рентгеновские лучи сходны в чем-то с люминесцентным свечением. Беккерель, пытаясь найти доказательство своей теории, ставил эксперименты, в которых использовал, наряду с прочими веществами, урановую соль.
Содержание опытов сводилось к следующему. Физик освещал вещество солнечным светом, после чего прятал его в темное место, предварительно подкладывая под вещество фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Используя урановую соль, Беккерель заметил, что фотопластинка оказывалась неоднократно засвеченной. Следовательно, уран источает рентгеновские лучи.
