Введение

Краткая история научной фотографии

Говоря о научной фотографии, прежде всего хочется отметить тот поразительный факт, что она не ожидала на почтительном расстоянии, пока закончатся фотографические "репетиции", а с самого начала приступила к делу. Фотохимия еще пребывала в стадии эксперимента, когда были предприняты первые попытки использовать фотографию для решения научных проблем. Однако, как ни странно, 150 лет назад, когда фотография делала свои первые шаги, она мало чем была обязана науке.

Истоки фотографии следует искать скорее не в химической лаборатории, а в мастерской художника. Первые фотографические изображения обязаны своим появлением не поискам талантливых ученых, занятых исследованием фотохимических процессов, а стараниям художников, стремившихся найти способ как-то скомпенсировать недостаток собственного дарования. Вспомним хотя бы, что и камера-обскура (предшественница фотоаппарата, впервые описанная арабским математиком Ибн аль-Хайтамом в X в.), и камера-люцида^*. изобретенная Волластоном в 1807 г., широко использовались чертежниками и начинающими художниками.

^* (Камера-обскура - физический прибор, состоящий из ящика, в переднюю стенку которого вмонтирован объектив, дающий изображение предмета на противоположной стенке. Камера-люцида - стеклянная призма с полным внутренним отражением; служит для рисования изображения, получаемого в микроскопе. - Прим. перев. )

Первый фотографический позитив был получен примерно в 1826 г. Н. Ньепсом. Поместив в камеру-обскуру оловянную пластину, покрытую битумом, он экспонировал ее в течение целого дня, а затем промывал в лавандовом масле, которое растворяло затененные участки битумной "эмульсии". Первый практический фотографический процесс разработал десятью годами позже Ж. Дагер, которого побудило к этому создание диорамы, нуждающейся в "живых картинах". Даже У. Фокс Тальбот, изобретатель негативно-позитивного процесса, обратился к фотографии не столько из научного интереса, сколько из стремления как-то восполнить свои ограниченные художественные таланты. В 1844 г. он вспоминал, как за одиннадцать лет до этого безуспешно пытался запечатлеть пейзаж на озере Комо при помощи камеры-люциды: "После нескольких бесплодных попыток я отложил прибор, поняв, что его использование требует определенных навыков в рисовании, которых я, к несчастью, не имел. И тогда я решил воспользоваться способом, испытанным много лет назад. Он состоял в том, чтобы с помощью камеры-обскуры получить изображения предметов на прозрачной бумаге, наложенной на стекло, которое помещалось у задней стенки камеры. Волшебные мимолетные картинки появлялись на бумаге и тотчас исчезали. Тогда-то и пришла в голову мысль: как было бы замечательно, если бы эти естественные изображения удалось навсегда запечатлеть на бумаге!"

При столь далеком от науки происхождении фотографии было бы неудивительно, если бы ее научная ценность долго оставалась скрытой. Однако ничего подобного не случилось. Первое публичное сообщение о новом изобретении сделал даже не сам Дагер, а директор Парижской обсерватории Ф. Араго на совместном заседании Академии наук и Академии изящных искусств, состоявшемся 19 августа 1839 г. Сообщение произвело сенсацию: в несколько дней парижских оптиков буквально завалили заказами на новый прибор, а брошюра, в которой Дагер описал фотографический процесс, за четыре месяца выдержала тридцать изданий.

Араго сразу же понял, какую пользу может принести изобретение Дагера астрономии: уже в 1839 г. он рекомендовал воспользоваться им для создания более точной карты лунной поверхности, для абсолютной и относительной фотометрии небесных тел и для регистрации темных линий в солнечном спектре, описанных Волластоном в 1802 г. и Фраунгофером в 1814 г. Возможность использования фотографии в научных исследованиях всегда воспринималась с огромным энтузиазмом - даже когда реализация этих возможностей представлялась делом далекого будущего. Вслед за Араго французский химик Гей-Люссак заявил в 1839 г., что "благодаря изобретению г-на Дагера физика сегодня получила реагент, необычайно чувствительный к действию света, и прибор, который сыграет в изучении света и световых явлений такую же роль, как микроскоп в изучении малых объектов. Это изобретение создаст основу для новых исследований и новых открытий". В 1860 г. Ф. Стейтем писал: "Чтобы объективно и точно перечислить все, что фотография [которую он в другом месте называл "служанкой науки"] сделала для науки, потребовалось бы заново написать всю историю этого искусства". Аналогичная мысль высказана и в научном обзоре, опубликованном в 1864 г.: "Именно науке ... фотография, дитя науки, оказывает и будет оказывать неоценимую помощь. Едва ли найдется такой раздел науки, который не был бы в долгу перед фотографией. Астрономические и микроскопические наблюдения выиграли необычайно много от достигнутого [благодаря фотографии] повышения точности. Она открывает неограниченные возможности исключить многие погрешности наблюдения - этот обильный источник ошибок. Фотография ничего не выдумывает и никогда не подгоняет свои результаты под заранее сформулированные теории".

Но самая поэтическая ода в честь фотографии была провозглашена французским астрономом П. Янссеном на обеде во Французском фотографическом обществе в июне 1888 г.: "Чувствительная фотографическая пластинка - это подлинный глаз ученого ... ибо она обладает всеми свойствами, которые только могут быть полезны науке: она добросовестно сохраняет запечатленные на ней изображения и, когда потребуется, позволяет делать с них копии; она охватывает вдвое больший спектральный диапазон, чем человеческий глаз, а возможно, скоро охватит и весь спектр; наконец, фотопластинка обладает замечательной способностью накапливать изображения, и если с сетчатки глаза изображение исчезает уже через десятую долю секунды, то фотографическая "сетчатка" сохраняет и накапливает изображения в течение практически неограниченного времени". Но к этому времени уже не было нужды пускаться в рассуждения о великом будущем фотографии, поскольку у нее уже было достойное гордости прошлое.

В первые два десятилетия после изобретения фотографии получили развитие в основном три процесса (если не считать множества их разновидностей): дагерротипия, калотипия и мокроколлодионный процесс (с жидкой эмульсией); "сухие" пластинки появились лишь два десятилетия спустя. Основные характеристики этих четырех процессов (в их первоначальном виде) приведены в таблице.

Существовало множество практических вариантов реализации каждого из перечисленных процессов. Поверхность, на которой запечатлевалось фотографическое изображение, следовало соответствующим образом подготовить, а затем сенсибилизировать, т. е. покрыть эмульсией. После этого фотографическую бумагу или пластинку заряжали в аппарат и экспонировали. Следующий этап заключался в проявлении и закреплении скрытого изображения; если при съемке получалось негативное изображение, то с него делали позитив. Затем следовали промывка и сушка. Здесь стоит подчеркнуть, что в то время все эти фотографические манипуляции выглядели столь сложными, хитроумными, а порой и таинственными, что напоминали колдовство алхимиков. Подробные исторические обзоры можно найти в классических работах [84, 104-105, 211].

Микрофотографическая калотипия крыла мухи. У. Ф. Тальбот, примерно 1840 г. (Музей науки, Лондон.)

Первые шаги научной фотографии связаны с микрофотографией. (Под микрофотографией - в отличие от микрофильма - мы будем понимать увеличенное фотографическое изображение микроскопических объектов.) Необходимо отметить, что простое соединение фотоаппарата с микроскопом еще не является залогом получения "научной" фотографии: опытный глаз часто способен извлечь не меньше пользы из прямого наблюдения в окуляр микроскопа, нежели из рассмотрения микрофотографии. Тем не менее своими позднейшими достижениями научная микрофотография во многом обязана этим первым опытам.

^*(Примечание. Гипосульфит - тиосульфат натрия. Коллодий - прозрачный вязкий раствор коллоксилина в спирте и эфире.)

До сих пор нет единого мнения относительно того, когда была сделана первая микрофотография. Тальбот в 1837 г. и Дж. Рид в 1839 г. (в последнем случае часто - но ошибочно - называют 1837 г.) применили процесс калотипии для съемки через микроскоп с солнечной подсветкой ("солнечный микроскоп"). Рид изготовил и пустил в продажу "солнечное меццо-тинто" с изображением блохи. Одно время Тальбот утверждал, что начал работать с солнечным микроскопом еще в 1835 г. Однако как бы то ни было на самом деле, к 1839 г. он добился такого качества изображений, что смог показать микрофотографии древесной стружки и крыла насекомого на выставке "фотогенических картинок", открывшейся в январе 1839 г. в Королевском институте, а на съезде Британской ассоциации, состоявшемся в том же году, Тальбот продемонстрировал фотографии кружева, полученные с увеличением 100-400 крат. В 1839 г. к микроскопу обратились и дагерротиписты; первым это сделал, по всей видимости, парижский врач Альфред Донне. Выступая в Академии наук, он рассказал, как выглядит дагерротип под микроскопом, а несколько месяцев спустя продемонстрировал академикам изображения глаза мухи. В 1843 г. Донне совместно с Л. Фуко начал работу по созданию монументального атласа "микроскопической анатомии", который должен был дополнить "Курс микроскопим" Донне, вышедший в том же году. Гравюры Уде, выполненные с оригинальных микрофотографий, предназначенных для атласа (опубликованного в 1845 г.), несомненно, имеют историческое значение. Микрофотографией занимались в разных странах и другие исследователи: Берр, Шевалье, Дансер, Гёпперт, Ходжсон; однако научная ценность их работ невелика. Дансер, который ныне наиболее известен как изобретатель микрофотографии и изготовитель приборов для научных исследований, был, по-видимому, первым, кому удалось получить высококачественные микрофотографии на стекле. Но это произошло лишь десятилетие спустя после появления первых микроснимков, и он ненамного опередил А. Бертча, работавшего в Париже.

Микрофотографическая калотипия картины поляризации на одноосном кристалле. У. Ф. Тальбот, примерно 1842 г. (Музей науки, Лондон.)

Вскоре для получения микрофотографий стали использовать искусственное освещение, чему способствовало непрерывное повышение чувствительности фотографической эмульсии. В 1839 г. Донне применил для подсветки в микроскопе кислородно-водородную горелку; позднее он вместе с Фуко успешно пользовался такой горелкой при получении некоторых микрофотографий для своего атласа. Первыми применили искусственное освещение для микрофотографии Берр в Вене и Дансер в Манчестере (последний сфотографировал в 1840 г. блоху, пользуясь газовым освещением). Бертч и Кастраканне упорно пытались преодолеть сложности, порожденные тем, что свет с различными длинами волн фокусируется в разных точках. Бертчу удалось добиться впечатляющих результатов с помощью "хроматического поляризатора", который создавал монохроматический свет. Принято считать, что первый фотографический микроскоп (в его современном виде) был изготовлен Наше в 1866 г.

Какую же пользу принесла микрофотография в первые десятилетия своего существования? На этот счет высказывают различные мнения; однако трудно не согласиться с Джерардом Тэрнером, отметившим, что она сыграла ключевую роль в распространении научных идей. (Первые микрофотографии для научной публикации были подготовлены Дж. Делвсом и С. Хайли в 1852 г., они появились в следующем году в журнале Transactions of the Microscopical Society of London.) Как заявил в 1867 г. Р. Меддокс, будущий изобретатель "сухих" фотопластинок, "едва ли можно сказать, что микрофотография уже пришла в объятия науки, - они медленно протягивают друг другу руки, но рукопожатие еще не совершилось". Иначе смотрел на это пионер бактериологии Роберт Кох; в 80-е годы прошлого века он отмечал, что фотография "служит "миротворцем" [регулируя разногласия между исследователями, работающими с микроскопом] и учителем. Порой фотографический снимок микро- объекта гораздо полезнее, чем сам исходный препарат".

Первая электронная микрофотография биологического объекта: корень орхидеии Neottea nidus-avis (гнездовка настоящая). Л. Мартон, 1934 г. (Смитсоновский институту Вашингтон.)

Серьезным недостатком коллодиевых и первых желатиновых пластинок (в особенности для микрофотографии) была их неоднородная спектральная чувствительность. Монохромные эмульсии были более чувствительны в синей области спектра, нежели в остальных. При работе с микроскопом приходилось либо аккуратно подкрашивать препараты, чтобы как-то скомпенсировать этот эффект, либо применять особые фильтры, чтобы ослабить коротковолновую составляющую света, попадающего в объектив. Как считается, впервые такой фильтр из синего стекла использовал Дж. Дрейпер. Опыты, проведенные Г. Фогелем в 1873 г., позволили несколько улучшить спектральную характеристику коллодиевой эмульсии, а в 1884 г. И. Эдер изготовил "ортохроматические" фотопластинки с желатиновой эмульсией, отличающиеся большей равномерностью спектральной характеристики в желтом и зеленом участках спектра. Наконец, в 1903 г. была впервые получена панхрохматическая эмульсия, обладающая одинаковой чувствительностью во всем видимом диапазоне.

Атомы урана на углеродной подложке, сфотографированные с помощью растрового просвечивающего электронного микроскопа. А. Крю, примерно 1970 г. (Музей науки, Лондон.)

Последующее развитие микроскопии определялось в основном приборными, а не фотографическими усовершенствованиями, если не считать создания пленок специально для нужд микроскопии такими фирмами, как "Агфа-Геверт", "Илфорд", "Кодак" и "Полароид". Фотографии образцов горных пород, полученные Г. Сорби с помощью поляризационного микроскопа (впервые использованного Тальботом в 1842 г.), положили начало металлографии, хотя Сорби, не раз пришлось выслушать упреки в том, что он "изучает горы под микроскопом". Усовершенствование микротома (прибора для приготовления тонких срезов препаратов) и методов подкрашивания препаратов, разработка ультрафиолетового и флюоресцентного микроскопов, фазоконтрастных и интерференционных методов - все эти новшества, несомненно, радикально изменили микроскопию. Но самым впечатляющим событием было изобретение электронного микроскопа.

Электронный микроскоп был создан в основном благодаря работам Э. Руски, который вместе с М. Ноллом продемонстрировал в 1931 г. новый метод двуступенчатого увеличения с помощью магнитных линз. Поначалу метод не получил должного признания, причиной чего был ряд неприятных моментов, сопутствующих ему (в частности, разрушение исследуемого препарата мощным электронным пучком). Тем не менее начало было положено, и в апреле 1934 г. Л. Мартон получил первые электронные микрофотографии биологического препарата (корня росянки). Год спустя Э. Дрист и Г. О. Мюллер сфотографировали крылья обычной бабочки, добившись более высокого разрешения, чем в оптическом микроскопе, а в 1937 г. Мартон опубликовал первые микрофотографии бактерий. Электронная микроскопия делала все большие успехи по мере того, как решались проблемы интерпретации полученных изображений и совершенствовалась конструкция приборов. Сороковые годы были отмечены получением изображений вирусов (вируса табачной мозаики, бактериофага Т2 и других), тонкой структуры клетки и макромолекулярных кристаллов. Усовершенствования коснулись и методов подготовки препаратов; здесь прежде всего следует отметить развитие техники приготовления сверхтонких срезов, металлизации препаратов тяжелыми атомами с целью повышения контрастности, и - много позднее - разработку новых приемов окрашивания.

Со временем контрастность и разрешающая способность электронного микроскопа достигли такого уровня, что можно было уже говорить о наблюдении отдельных атомов. Э. У. Мюллер сконструировал автоэлектронный и ионный микроскопы, добившись в 1951 г. первых серьезных успехов, а к 1960 г. была достигнута их оптимальная разрешающая способность. Однако изображение, получаемое в автоэлектронном микроскопе ("электронном проекторе"), отличается от обычной электронной микрофотографии как по принципу получения, так и по внешнему виду. Отдельные атомы были впервые сфотографированы А. Крю в 1970 г. с помощью растрового просвечивающего электронного микроскопа. Разрешающая способность обычного просвечивающего электронного микроскопа повысилась (благодаря усилиям Хасимото и других исследователей) настолько, что стало возможным различать ряды атомов и даже следить за динамикой их поведения.

Останавливаясь на роли фотографии в медицине и биологии, можно спросить, что же сделала она в этой области по большому счету. Как это ни удивительно, ответ на данный вопрос в корне отличается от ответа, который дал бы на аналогичный вопрос ученый-физик. Фотографии, которыми изобилует медицинская литература, имеют как учебную, так и диагностическую ценность. Клиницисты постоянно обращаются к ним для уточнения анатомических деталей, для подтверждения диагнозов заболеваний, для сравнения микробиологических препаратов со стандартными микрофотографиями. В этом отношении медицинская наука имеет много общего с зоологией, где фотографии не только фиксируют облик типичных представителей различных биологических видов, но и служат эталонами, с которыми сравниваются новые наблюдения.

Начало медицинской документальной фотографии было положено в 1852 г. в Англии в психиатрической лечебнице графства Суррей, директор которой Г. Даймонд регулярно делал фотографические портреты пациентов, находившихся в состоянии возбуждения. В том же году совершенно независимо берлинский хирург-ортопед Ф. Беренд стал вести свой фотографический архив. В последующее десятилетие началась публикация медицинских фотографий; среди них особое значение имеют сборник фотографий лиц пациентов, мимика которых менялась под действием электрических импульсов (снимки получены по методу, разработанному Ж.-Б. Дюшенном), и шеститомный атлас фотографий ранений во время Гражданской войны в США.

Нервная система человека впервые попала в объектив в 1861 г. (И. Альберт в Мюнхене), кожные болезни - в 1864 г. (А. Сквайр в Лондоне), гортань - в 1860 г., хотя настоящего успеха в этой области добились лишь в 1882 г. Т. Френч и Дж. Брейнерд в Нью-Йорке; сетчатка человеческого глаза - в 1885 г. (У. Джекман и Дж. Уэбстер в Лондоне). Последним из взятых рубежей было фотографическое зондирование внутренних органов (эндоскопия). Фотоснимки желудка, сделанные через гастроскоп, впервые были получены в 1890 г., а мочевого пузыря (с помощью цистоскопа) - в 1894 г. Дальнейшие успехи здесь были обусловлены как развитием эндоскопии (гастроскопы, цистоскопы, бронхоскопы, кульдоскопы, лапароскопы и т. п.), так и прогрессом в самой фотографии. В нашем столетии важнейшие вехи на этом пути отмечают создание полужесткого гастроскопа Шиндлера (1922), современного бронхоскопа Форестьера, Гладу и Вюльмера (1952), получение Дебре и Уссетом (1956) первых цветных фотографий желудка с применением электронной вспышки, использование волоконной оптики (Гиршовиц, 1961) и классические фотографии человеческого эмбриона in vivo, сделанные Л. Нильссоном (1965).

Открытие рентгеновских лучей в ноябре 1895 г. позволило "заглянуть" внутрь живого организма. В истории техники, пожалуй, только лазер может соперничать с рентгеновскими лучами по быстроте всеобщего признания, масштабу исследований, усовершенствований и практических приложений, развернувшихся сразу после открытия. В первые же шесть месяцев после открытия Рентгена сотни экспериментаторов во всем мире занялись получением рентгенограмм самых разнообразных объектов - от зубов до чучел птиц. В этот же период появились первые рентгеновские эмульсии, цельнометаллические рентгеновские трубки, флюоресцирующие экраны и начались попытки стереоскопических исследований. Невозможно точно установить, кто первым применил рентгеновские лучи для клинических исследований: на пальму первенства здесь претендуют М. Ястровиц в Берлине (обнаружил с помощью рентгена осколки в руке стеклодува), Г. Кайзер в Вене (дробь в руке лесника) и А. Шустер в Манчестере (иголку в ступне балерины).

Одна из первых медицинских рентгенограмм - снимок руки нью-йоркского адвоката Батлера Холла с засевшей в ней дробью. М. Пьюпин, 1896 г. (Библиотека Бэрнди, Норуолк, шт. Коннектикут, США.)

Поначалу время экспозиции составляло от 15 мин до часа (для плотных костей, таких, как кости черепа), но к 1898 г. оно сократилось до нескольких минут. Основными изготовителями специальных рентгеновских фотоматериалов были фирмы "Истмен Кодак" в США, "Илфорд" в Англии и "Шлейсснер" в Германии. (Впрочем, рентгенологи не всегда пользовались фотоэмульсионными материалами; нередко при изучении метаболических функций удобнее было применять флюоресцирующий экран, как это делал, в частности, У. Кэннон при исследовании пищеварительного тракта.) Однако в наши планы не входит углубляться в дальнейшую историю рентгенологии; упомянем лишь об изобретении рентгеновской трубки с горячим катодом, сделанном в 1913 г. У. Кулиджем.

Не будем мы подробно описывать и современные методы получения изображений, важных для диагностики, хотя нельзя полностью обойти молчанием такие методы, как ультразвуковое "просвечивание", впервые осуществленное еще в 1942 г., ультразвуковую импульсную эхолокацию (1949), компьютерную томографию и ядерный магнитный резонанс, - методы, достигшие зрелости в начале 70-х годов и позволяющие выявить такие тончайшие детали структуры тканей, о которых прежде невозможно было и помыслить. Позитронная томография с использованием меченых атомов, впервые предложенная в 1951 г., также начинает давать заметные результаты. Использование контрастных веществ имеет солидную историю - от первой артериограммы препарированной кисти руки (Гашек и Линденталь в Вене, 1896), церебральной ангиографии in vivo (Мониш в Лиссабоне, 1927 и позднее) до сложнейшего метода цифровой субтрактивной ангиографии, превосходящего по своей разрешающей способности все остальные методы. Поразительно, что основной принцип субтрактивной ангиографии (он, по существу, сводится к "вычитанию" рентгенограммы, на которой запечатлены только кости, из рентгенограммы, содержащей изображение костей и сосудов вместе) был предложен еще в 1935 г. Добавим, кстати, что хотя радиоактивные материалы и могут использоваться в качестве контрастного вещества, последнее не обязательно должно быть радиоактивным. При работе с мечеными атомами исследователь может использовать как фотографические методы регистрации (первая ауторадиограмма приписывается Е. Лондону, работавшему в Петербурге, 1904), так и иные способы (например, сцинтилляционные счетчики).

Картина бифракции рентгеновских лучей. В. Фридрих, 79/3 г. (Библиотека Бэрнди, Норуолк, шт. нектикут, США.)

Рентгеновские лучи произвели второй переворот в научной фотографии, когда выяснилось, что дифракция их на кристаллах позволяет получать важную информацию о структуре вещества. В. Фридрих и П. Книппинг при содействии Макса фон Лауэ получили в 1912 г. первые (впрочем, не слишком четкие) снимки картины дифракции рентгеновских лучей на кристаллах медного купороса. Эта работа не только ознаменовала революцию в кристаллографии - а позднее и в биохимии, - но и подсказала У. Г. Брэггу путь к созданию рентгеновского ионизационного спектрометра. Вскоре рентгеновской спектроскопией активно занялся Г. Мозли. Большое научное значение имел метод исследования структуры мелкокристаллических материалов с помощью дифракции рентгеновских лучей, разработанный в 1916 г. Дебаем и Шеррером. (В их опытах фотографическую пленку обычно располагали на поверхности цилиндра, соосно со слоем исследуемого вещества.)

Открытие дифракции рентгеновских лучей оказало огромное влияние на развитие науки. Споры о природе рентгеновских лучей (волны это или частицы) продолжались до тех пор, пока факт корпускулярно-волнового дуализма не получил всеобщего признания. (Подобные споры порождали и электроны - частицы, которые, как показали в конце концов Дж. П. Томсон и другие исследователи, обладают также волновыми свойствами.) Исследования, основанные на фотографической регистрации дифракции рентгеновских лучей, включают, кроме того, измерение радиусов атомов и ионов, изучение дефектов кристаллической решетки, а также разнообразных оптических, электрических и тепловых явлений в кристаллах. Особенно важно отметить, что эти исследования не ограничивались лишь неорганическими веществами: в 1934 г. Дж. Бернал показал, что сложные органические молекулы также доступны для рентгеноструктурного анализа. Краеугольные камни молекулярной биологии были заложены в 30-е годы Дж. Берналом, У. Астбери. Д. Ходжкином. Вне всяких сомнений, событием века стала расшифровка Дж. Уотсоном и Ф. Криком спиральной структуры ДНК, которая имела ключевое значение для понимания генетического кода.

Рентгеновские лучи - это лишь один из участков невидимой области спектра электромагнитного излучения, которая стала доступна изучению благодаря фотографии. Для регистрации ультрафиолетового излучения, сильно поглощаемого стеклом, приходится использовать, например, кварцевую оптику. Хотя ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером в 1801 г. без помощи фотографии, фотографы довольно быстро начали осваивать ультрафиолетовый диапазон спектра. Первые лабораторные УФ-спектры были получены У. Миллером в 1864 г.; в нынешнем столетии наши знания о строении атомов и молекул сформировались в основном благодаря исследованиям спектров в УФ-диапазоне, простирающемся от фиолетовой границы видимой области спектра до области рентгеновского излучения. В астрономии УФ- спектроскопия дает богатую информацию о горячих звездах и межзвездном газе, она помогает исследовать верхние слои атмосферы, а в медицине для диагностики заболеваний кожи используется как обычная фотография, так и УФ-флюоресценция. Важные результаты принес ультрафиолетовый микроскоп (например, в 1935 г. Т. Касперссон наблюдал с его помощью хромосомы), пока не смену ему не пришел электронный собрат.

Инфракрасное излучение также было открыто до изобретения фотографии. Фотографы довольно быстро обнаружили, что "менее преломляющиеся" ИК- лучи тоже оставляют следы на фотографической эмульсии; однако предсказанию Тальбота (сделанному в 1844 г.) о том, что "глаз фотоаппарата будет ясно видеть и там, где для человеческого глаза нет ничего, кроме сплошной тьмы", суждено было осуществиться лишь через 90 лет. Причина задержки крылась отнюдь не в недостатке экспериментов, о чем свидетельствует хотя бы название лекции, которую прочитал в 1859 г. М. Ньепс де Сен-Виктор: "Термография - получение изображений на чувствительной бумаге с помощью калорического излучения". Сегодня термографией называют получение изображений в той части ИК-диапазона, где вместо фотографической эмульсии приходится использовать другие детекторы. В наши дни термография и ИК-фото- графия находят огромное множество применений: при изучении поверхности Земли с борта самолета и спутников (например, при определении состояния посевов: здоровые всходы на снимках выглядят белыми, а на цветной ИК- пленке - красными); в микроскопии (скажем, при наблюдении селективно окрашенных микроорганизмов); в медицине (в частности, при диагностике рака грудной железы); в спектроскопии (начиная еще с классических работ де Абни по ИК-спектроскопии Солнца, проведенных в 80-х годах прошлого столетия) и даже в ботанике (ИК-люминесценция хлорофилла).

Несомненно, раньше других - и больше других - стала извлекать пользу из фотографии астрономия. В 1840 г. Дж. Дрейпер получил первый удачный дагерротип Луны. Он так писал об этом: "С помощью линзы и гелиостата я сфокусировал лунные лучи на пластинке. Линза имела три дюйма в диаметре. Через полчаса было получено очень отчетливое изображение". Считается, что эта фотография погибла во время пожара в 1866 г., однако такое утверждение весьма сомнительно. Вполне возможно, что обнаруженный в 1969 г. в книжном магазине в Гринвич-Виллидж изъеденный плесенью дагерротип Луны в ее последней четверти, сделанный Дрейпером и датированный 26 марта 1840 г., и есть та самая фотография.

Как ни странно, до 1845 г. не предпринималось никаких попыток получить дагерротип Солнца, если не считать фотографии солнечного серпа во время затмения 1842 г. В 1845 г. Физо и Фуко, следуя совету Араго, получили (с выдержкой 1/60 с) четкое изображение, на котором хорошо видны две группы солнечных пятен. Подобное невнимание к фотографированию Солнца тем более удивительно, что к этому времени было уже получено немало фотографий солнечных спектров. Более того, первым подлинным успехом научной фотографии по праву считается снимок солнечного спектра, который Дрейпер получил 27 июля 1842 г. и отправил Джону Гершелю для изучения. На этом снимке видны темные линии поглощения в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра - первое проникновение в область, "недоступную глазу".

Дагерротип лунного серпа - возможно, это первая астрономическая фотография. Дж. Дрейпер, 1840 г. (Физический факультет Нью-Йорского университета.)

К концу первого десятилетия существования дагерротипии удалось достигнуть значительных успехов в фотографировании небесных объектов; в 1849 г. Дж. Уиппл на рефракторе Гарвардского университета получил серию высококачественных фотографий Луны; в 1850 г. Уиппл и Бонд сделали первую фотографию звезды (Вега), а в 1851 г. - планеты (Юпитер). В том же году Берковский получил первый приличный снимок солнечного затмения. Следует отметить, что калотипия, которая, несмотря на значительную зернистость получаемого изображения, была вполне пригодна для микрофотографии, для астрономических целей оказалась недостаточно чувствительной.

Изобретение мокроколлодионного процесса значительно расширило возможности научной фотографии. Сравнение лунных фотографий, сделанных Уорреном Делару после 1852 г., с полученными ранее дагерротипами или поляризационных картин Уильяма Крукса с размытым дагерротипом Тальбота (1848) неоспоримо доказывает преимущества коллодия. Бонд, которого иногда называют "отцом небесной фотографии", использовал коллодионные пластинки для первых измерений двойных звезд и для фотометрических целей. Делару применил такие пластинки для фотографирования солнечного затмения в 1860 г. - весьма смелый шаг, поскольку их никогда прежде не испытывали в таком качестве, - и для наблюдения за Солнцем в обсерватории Кью. Получение звездных спектров, однако, отмечало предел возможностей коллодионной пластинки, и, несмотря на некоторый успех Г. Дрейпера, ознаменованный получением в 1872 г. спектра Веги, звездной спектроскопии пришлось дожидаться появления желатиновых пластинок. Важнейшим событием этого периода было создание первого фотографического объектива, который изготовил оптик Фитц в 1864 г., за несколько лет до того, как Наше изготовил объектив для микроскопа.

Самый ранний из сохранившихся дагерротипов планеты, на котором запечатлены два изображения Юпитера, полученные в двух различных экспозициях. Дж. Бонд, 1857 г. (Обсерватория Гарвардского колледжа, Кембридж, шт. Массачусетс, США.)

С появлением сухих броможелатиновых пластинок астрономы приступили к систематическому фотографированию звездного неба. Впервые это было сделано в 1882 г. в Гарвардской обсерватории под руководством Пикеринга, который позднее возглавил работу по фотографической регистрации звездных спектров (мемориал Генри Дрейпера); в 1891 г. в Королевской обсерватории на Мысе Доброй Надежды под началом Дэвида Гилла было начато составление первого каталога звездных координат, целиком основанного на фотографиях звездного неба. В том же году в восемнадцати обсерваториях мира была предпринята работа по подготовке полного фотографического обзора неба (Carte du Ciel).

Фотогелиограф Кью, применявшийся для фотографирования затмений и для солнечного 'патрулирования'. Изготовлен А. Россом по расчетам Уоррена Делару (см. Тиары и горы на солнечном диске). (Музей науки, Лондон.)

Следующее глобальное исследование неба (начатое в 1949 г. на телескопе Шмидта в обсерватории Маунт-Паломар) во многих отношениях превзошло Carte du Ciel, однако нас прежде всего интересует фотографический аспект этого дела. Огромную важность для современной научной фотографии имела разработка особых эмульсий, предназначенных специально для научных приложений. В Маунт-Паломарском обзоре использовались фотопластинки Кодак II-Е (чувствительные в длинноволновой области спектра) и Кодак IIа-O (чувствительные в коротковолновой области спектра), разработанные для фотографирования слабосветящихся астрономических объектов и спектроскопии комбинационного рассеяния. Фотографические фирмы создали эмульсии, специально предназначенные для спектроскопии, микрофотографии, ядерной физики, радиографии, термографии - каждое из этих приложений предъявляет свои требования к спектральной чувствительности, разрешающей способности и контрастности фотоматериалов.

Прежде чем перейти от астрофотографии к другим областям, отметим еще два важных обстоятельства. Во-первых, в арсенал астрономии ныне входит ряд устройств, которые дополняют или даже заменяют традиционную фотографию. С одной стороны, электронографические устройства, разработанные в частности, А. Лаллемандом и Дж. Мак-Ги, позволяют направлять электроны, выбитые из фотокатода, непосредственно на фотоэмульсионный слой; электронно-оптические преобразователи создают на фосфоресцирующем экране изображение, которое затем можно сфотографировать. С другой стороны, окончательное изображение может быть получено на люминесцентном экране с помощью телевизионных устройств (видиконов) или на матрицах полупроводниковых приборов с зарядовой связью. Но в любом случае в результате мы все равно получаем изображение - и это уже вопрос терминологии, считать его "фотографией" или нет.

Стробоскоп с вращающимся обтюратором, использованный для фотографирования пульсара Крабовидной туманности (см. Первый оптический пульсар). (Ликская обсерватория, Санта-Крус, шт. Калифорния, США.)

Во-вторых, существуют способы повышения чувствительности фотоматериалов - наука и искусство гиперсенсибилизации. Чтобы добиться максимальной "эффективности" фотоматериалов при низких уровнях освещенности, астрономы располагают рядом методов. Чаще всего это - охлаждение эмульсии (при этом необходимо принять меры во избежание конденсации водяных паров на фотоматериале), предварительная засветка эмульсии, обработка ее газообразным водородом и выдерживание в атмосфере азота. Такие хитроумные приемы столь заметно влияют на качество изображения (вплоть до того, что от них порой зависит его наличие или отсутствие), что стали обязательными во всех крупных обсерваториях.

Широко используются совершенно новые методы получения изображений, и "космическая" фотография полагается теперь в основном не на химические эмульсии, а на электронные датчики, которые осуществляют преобразование сигналов в цифровую форму для передачи, обработки и последующего восстановления. Фотографическая пленка доказала свою полезность, в частности во время полетов орбитальных космических станций; однако главную роль в получении изображений из космоса играют другие методы. Так, в фотополяриметре космического аппарата "Пионер" использовались фотоумножители. Изображения в микроволновой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра получают с помощью сканирующих детекторов различных типов. В видимой области спектра обычно используются телевизионные системы, прежде всего видиконы с медленной разверткой; начиная с космического аппарата "Рейнджер-7", запущенного в 1964 г., и до самых последних автоматических межпланетных станций серии "Вояджер" они оставались основной "рабочей лошадкой" для НАСА. Некоторые спутники передают информацию по мере ее получения, так сказать, "в реальном масштабе времени", другие накапливают ее и передают на Землю во время сеансов связи. Очень важное место занимает наземная обработка полученной информации (восстановление изображений), требующая порой очень сложных программ ЭВМ.

Перенесемся теперь из просторов космоса, ставших доступными благодаря фотографии, в глубины морей и океанов. Большинство фотографий, полученных под водой, - какие бы захватывающие сцены из подводной жизни они ни изображали - несут не слишком много информации для ученого. Но было время, когда только фотоаппарат позволял человеку проникнуть на дно океана; первую подводную съемку осуществил в 1893 г. Л. Бутан у побережья Французской Ривьеры. Среди тех, кто внес заметный вклад в становление глубоководной фотографии, три человека заслуживают особого упоминания: У. Юинг, чей аппарат достиг в 1941 г. глубины 5000 м; Дж. Айзекс, первым получивший подводные снимки, исключительно ценные для морской биологии, и Г. Эджертон - изобретатель электронной лампы-вспышки и ультразвукового локатора для наводки камеры на резкость под водой. Фотосъемка океанского дна принесла также большую пользу подводной геологии.

На протяжении большей части нашего столетия фотографические методы регистрации преобладали в атомной и ядерной физике. Первым шагом на этом пути явилась установка фотоаппарата в камере Вильсона, что позволило фиксировать следы заряженных частиц, проходящих через пересыщенный пар. К началу 50-х годов с помощью камеры Вильсона был сделан ряд важных открытий: обнаружено искривление альфа-лучей в магнитном поле (П. Л. Капица, 1924), установлено искусственное превращение элементов (П. Блэкетт, 1925), открыты оже-эффект (П. Оже, 1926) и позитрон (К. Андерсон, 1932) и т. д. В 50-е годы на смену камере Вильсона пришла пузырьковая камера, но и здесь устанавливается фотоаппарат, который автоматически срабатывает (синхронно с электронной вспышкой), когда исследуемые частицы проходят через камеру.

Искривление треков альфа- частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. П. Л. Капица, 1924 г. (Музей науки, Лондон.)

Что касается регистрации частиц, то здесь фотография нашла и другое применение. Эффект почернения фотографической эмульсии под действием альфа-частиц впервые заметил С. Киносита, а первые микрофотографии отдельных треков частиц опубликовали в 1914 г. Г. Уолмсли и У. Макоуэр. Однако в последующие двадцать пять лет этот подход не развивался из-за отсутствия подходящих эмульсий. Наконец, С. Пауэлл вместе с другими учеными Бристольского университета активно принялся за разработку нового фотографического метода, считая его "эквивалентным камере Вильсона, находящейся в постоянной готовности". Перелом в этих исследованиях произошел в 1945 г., когда фирма "Илфорд" выпустила новые концентрированные ядерные эмульсии, обладающие малой зернистостью, высокими чувствительностью и однородностью и значительно превосходящие по качеству прежние эмульсии той же фирмы - R1 и R2. Используя новые пластинки, Г. Брэдт зарегистрировал тяжелые ядра в космических лучах (впервые их наблюдал в 1929 г. Д. В. Скобельцын в камере Вильсона), а Ч. Латтес с коллегами открыл заряженные пи-мезоны, задолго до того предсказанные X. Юкавой. Пакеты ядерной эмульсии по сей день используются как детекторы частиц в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к пространственному разрешению, а быстродействие не столь существенно. С помощью гибридных эмульсий уже удалось зарегистрировать такую характеристику кварков, как "очарование"; другая характеристика - "красота", по словам Д. Дэвиса "вполне подходит для прямого наблюдения эмульсионными методами", однако "истину" вряд ли удастся запечатлеть, поскольку обладающие этим свойством кварки слишком короткоживущи (их время жизни составляет около 10^-8 мкс, при этом длина трека частицы сравнима с размером зерна эмульсии).

Ударные волны, возникающие при попадании пули в стеклянную пластину. Ч. Бойс, 1893 г. (Музей науки, Лондон.)

Помимо пространства, интенсивности и длины волны излучения во власти фотографа находится также время. Здесь выделяются две крайности, которые представлены в нашей книге скоростной фотографией (регистрация быстрых событий) и замедленной съемкой, позволяющей фиксировать медленные процессы. Говоря о "быстрых" и "медленных" процессах, мы подходим к ним с общечеловеческими мерками, принимая за норму инерцию нашего зрения и естественную скорость восприятия. Первую скоростную фотографию, или "моментальное фотогеническое изображение", получил в 1851 г. сам Тальбот: он продемонстрировал в Королевском институте калотипию газетной полосы на вращающемся печатном барабане, сделанную при свете электрической искры. Принцип замедленной фотосъемки описал в 1888 г. Э. Мах, а на практике его впервые осуществил в 1904 г. А. Пизон, зафиксировавший рост колонии бактерий с помощью, как он выразился, "биотахиграфии".

Фоторужье для скоростной съемки полета птиц. Э. Ж. Марей, 1882 г. (Музей Марея, Франция.)

Первые полвека существования скоростной фотографии для освещения пользовались электрической искрой. Этим методом А. Тёплер запечатлел звуковые волны, Э. Мах (и позднее Ч. Бойс) - ударные волны, лорд Рэлей - водяные струи, а А. Уортингтон - всплески воды. В нашем столетии революцию в фотографии произвела электронная лампа-вспышка, изобретенная Эджертоном. (Г. Мили, один из первых фотографов, использовавших лампу- вспышку, назвал ее "хитроумным, магическим источником света"). Впоследствии время экспозиции удалось еще более сократить благодаря использованию ячейки Керра (электрооптического затвора, действие которого основано на эффекте, открытом в 1875 г.), электронно-оптического преобразователя, ЭОП (изобретенного Лунном, Кортни-Прэттом и другими), а позднее - импульсного лазера. Пикосекундный барьер (миллионная доля микросекунды) впервые преодолели в 1975 г. Д. Брэдли и У. Сибберт, применив "стреляющую" камеру: изображение в ней размазывается в одном измерении за счет перемещения пленки и объекта во взаимно перпендикулярных направлениях. Для традиционных двумерных изображений рекорд быстродействия достигнут благодаря остроумному использованию "голографического затвора".

Для съемки быстротекущих процессов однократной искры или вспышки оказывается недостаточно, если только не найти подходящий способ синхронизации. Поэтому приходится обращаться к методам, которые позволяют осуществлять несколько экспозиций, быстро следующих одна за другой, т. е. использовать многократную искру, стробированную вспышку и т. д., что практически приводит к киносъемке. И. Майбридж гениально предвосхитил кинематографию, применив натянутые проволочки для спуска затворов выстроенных в ряд фотоаппаратов - подход, конечно, не слишком изящный, но оригинальный. В своих камерах с вращающимся затвором и непрерывной протяжной пленки Э. Ж. Марей нашел более элегантное решение проблемы и с помощью "хронофотографии" начал изучать на серьезной научной основе самые различные формы движения: от ходьбы человека и бега животных (вслед за Майбриджем) до циркуляции крови, сокращений сердечной мышцы, механической вибрации, гидро- и аэродинамических явлений. Более поздние съемки полета насекомых (Л. Буль) и движения бактерий под микроскопом (Ж. Рие) также в какой-то степени основаны на работах Марея. В ходе дальнейшего развития фотографическая техника постепенно разрешила проблемы, связанные с регистрацией быстротекущих процессов; с этой целью использовались вращающиеся зеркала, вращающиеся призмы и другие механические и электронные приспособления. Вершиной этого развития является скоростная видеозапись.

Искровая барабанная камера для скоростной съемки насекомых в полете. Л. Буль, 1903 г. (Музей науки, Лондон.)

Наше краткое введение в историю научной фотографии ни в коей мере не претендует на проникновение в глубь предмета. (Нет, увы ни одной такой работы, где удалось бы это сделать.) Наша цель скромнее - создать лишь декорацию для главных "персонажей" настоящей книги, каковыми являются исторические фотографии. Традиционная фотография и современные методы получения изображений не случайно оказались здесь неразрывно связанными: на них следует смотреть не как на динозавров, уступающих место млекопитающим, а как на плодотворный симбиоз. Химическая эмульсия отнюдь не ушла в прошлое: с развитием приемов усиления фотографического изображения она вполне способна соперничать при малых уровнях освещенности с электронными датчиками. И какие бы новые способы ни проходили на помощь человеческому зрению, конечная цель остается прежней - правильно интерпретировать изображение, чтобы лучше понять изучаемое явление.

Интерпретация - вот главное. Фотографии, прежде всего научные, открывают истину не больше, чем отклонения стрелки гальванометра. (Полезно сравнить хотя бы три совершенно разные фотографии в этой книге, претендующие на изображение одних и тех же объектов - атомов.) В несколько иной связи Джон Чиарди писал:

 И верный фотоаппарат
 Двумерной копией явлений
 Внесет лишь новый ценный вклад
 В число научных заблуждений.

Тем не менее, рассматривая не только само изображение, но и метод, каким оно было получено, ученый сможет проникнуть в область, недоступную глазу.