Журнал «Вокруг Света» №9 за 2003 год

Далеко не все из того, что нас окружает, можно увидеть и потрогать руками – многое приходится домысливать и воображать. Математики так и живут в выдуманных ими мирах и пространствах, но вот физики, а особенно техники, не могут успокоиться, пока наглядно не представят себе, как выглядит решение уравнения, куда распространяются волны и в какую сторону дует ветер. Вычислительная математика и компьютерное моделирование могут весьма реалистично нарисовать любой процесс и самое замысловатое явление, но все равно хочется увидеть, как это выглядит на самом деле и как распространяется звук или кружатся воздушные вихри.

Воздух очень слабо преломляет свет, и тем не менее даже микроскопические изменения его малюсенького показателя преломления, оказывается, можно увидеть. Классические картинки такого рода, попавшие во все учебники, – это горящая свеча и летящая пуля. Клубы горячего воздуха, поднимающегося над пламенем, видны в принципе и без специальных технических устройств – если просто посмотреть поверх пламени свечи на другую свечу, горящую вдали. Но вот ударные волны, генерируемые летящей со сверхзвуковой скоростью пулей, как и турбулентный след позади нее, без так называемого теневого метода и фотовспышки увидеть невозможно.

Этот уникальный исследовательский инструмент – шлирен-фотография позволяет видеть самые тонкие детали разнообразных процессов, начиная от диффузии ядовитого вещества в воздухе и заканчивая растворением сахара в воде. Научная мысль не стоит на месте, и новая модификация теневого метода, позволяющая выйти из узких стен лабораторий в широкий мир реальных машин и сооружений, была совсем недавно разработана американским ученым Гари Сэттлом. Сегодня это выглядит как достаточно курьезное изобретение, позволяющее видеть жар от барбекю и холод от замороженной пиццы, но на самом деле – это окно в новый и совсем незнакомый нам мир, и трудно даже представить те открытия и усовершенствования, которые оно может привнести в нашу жизнь. Но одно ясно уже сегодня – те возмущения, которые мы вносим в окружающий мир, не так уж и незаметны, и присутствие человека в помещении выдают не только звуки его дыхания и сердцебиения, но и то тепло, которое он отдает окружающим его людям.

Если путь у световых лучей большой, то отклонения от прямолинейного распространения хорошо видны даже невооруженным глазом. Примеров тому немало – начиная от размывания удаленных машин, едущих по раскаленному шоссе, и заканчивая причудливой тенью, отбрасываемой горящей газовой горелкой. Показатель преломления газа напрямую зависит от его плотности, то есть от количества молекул, находящихся в единице объема, а значит, и преломление изменяется, когда мы сжимаем газ при постоянной температуре или нагреваем при постоянном давлении.

При проверке зеркал с помощью ножа Фуко мы отрезаем основной поток света, оставляя только отклонения от нормы. В шлиренметоде Теплера все прямоидущие лучи тоже убирают, и только то, что уклонилось от верного пути, благодаря колебаниям показателя преломления, попадает в глаз наблюдателя или на фотопленку. Причем получающаяся картинка настолько наглядна и понятна, что какие-либо комментарии, как правило, излишни. Увеличение контрастности и «видности» воспринимается вполне естественно, и если не требуется численная оценка изменений температуры или давления газа в потоке, то можно и не вникать в тонкости оптической системы устройства, наслаждаясь замысловатыми завитками турбулентных потоков, лучами ударных волн и кругами звукового давления.

Изначально все это придумывалось для того, чтобы увидеть звуковые волны и потоки, обтекающие модели самолетов и ракет, но сегодня теплеровский шлирен-метод используют для визуализации мощных пикосекундных лазерных импульсов и фазовых переходов в веществах, замороженных до температур, близких к абсолютному нулю. Пользы от теневой фотографии было немало – так аэродинамики, прежде чем научились численно рассчитывать потоки, обтекающие летательные аппараты, немало лет провели в аэродинамических трубах, измеряя силу и давление, а также анализируя теплеровские фотографии пограничных слоев и линий отрыва потока.

Свой метод Фуко предложил в 1859 году и даже сумел сам изготовить два телескопа с зеркалами диаметром 80 см, а уже к 1908 году в обсерватории Маунт-Вилсон был построен полутораметровый рефлектор. Метод Фуко в различных модификациях используется и сегодня – при изготовлении как любительских зеркал, так и многометровых космических и земных телескопов. Идея отсечения основного неинформативного потока света оказалась очень продуктивной не только для чисто оптических задач, и уже в 1867 году немецкий физик Август Теплер разработал шлирен-метод наблюдения мелких оптических неоднородностей в прозрачных средах. Это было прямое развитие теневого метода Фуко, и сегодня, несмотря на наличие лазеров и огромные возможности интерферометрических способов контроля поверхностей и объемов, старинные методики не только не забыты, но и активно развиваются ныне живущими кулибиными.

На этот раз инициативу съемки невидимого перехватила Америка. В середине прошлого века Х. Шардин предложил использовать специальнысветовозвращающий экран и сходящийся пучок света, а в конце века Л.М. Ванштейн сумел изготовить большеразмерную шлирен-систему, лишенную принципиальных ограничений на размер исследуемых объектов.

Последние наиболее значимые достижения в области полномасштабной шлирен-фотографии крупных конструкций связаны с именем профессора механики из Пенсильванского университета Гари Сэттла, сумевшего обойтись при съемке мелких неоднородностей без больших высокоточных зеркал и научившегося снимать конвективные потоки и воздушные струи, пронизывающие нашу жизнь прямо там, где это требуется. Так что, возможно, имя Сэттла, равно как и 2003 год, станет еще одной важной вехой в развитии методов визуализации невидимого.