Когда мы говорим о рентгене, мы чаще всего представляем себе процедуру в медицинском кабинете. Однако с помощью рентгеновских лучей можно узнать о подлинности картины, строении молекулы и даже дальних космических объектах. Об этом школьникам «Сириуса» рассказал Никита Марченков, заместитель директора по молодежной научной политике ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН.
В 1901 году Вильгельм Конрад Рентген получил первую Нобелевскую премию по физике за открытие лучей, которые поначалу показались такими загадочными, что их назвали «X-rays» («лучи-икс»). Но ученые не останавливались на достигнутом. Прошло немного времени, и это открытие приобрело важнейшее значение для медицины.
Так удивительно получилось, что в природе кристаллические материалы, которые окружают всех нас, содержат много атомов. Расстояние между ними соразмерно с длиной волны рентгеновского излучения. Кристаллическая решетка является естественной дифракционной решеткой для рентгеновского излучения. Сегодня это свойство используется повсеместно: например, в промышленности кристаллические материалы изготавливаются для микросхем. Понятно, что от качества кристаллов зависят и их свойства. А рентгеновская кристаллография помогает нам узнать о структуре белков и других веществ. Она же когда-то позволила построить модель молекулы ДНК Уотсону и Крику.
Существуют так называемые синхротронные источники рентгеновского излучения – ускорители электронов. Сейчас все страны, которые хотят чувствовать себя уверенно на технологическом рынке, должны создавать у себя источники синхротронного излучения. Никто не говорит, что экономику страны не построить без коллайдера. Он нужен для удовлетворения любопытства ученых, которые хотят узнать, как устроена Вселенная, изучить бозон Хиггса. А вот синхротронные источники нужны для «земных» вещей – например, в самолетостроении. Недавно авиакомпания Emirates купила целую синхротронную станцию, чтобы изучать материалы, из которых она изготавливает двигатели и крылья самолетов.
Что же ждет рентгеновское излучение в будущем? Сегодня оно помогает в развитии природоподобных технологий. Человек всегда создавал приборы и технологии на примере того, что он видел в живой природе и, может быть, даже немного копировал. Он изучал работу человеческого глаза и создавал линзы и оптические приборы; видел свет солнца — и создал солнечную энергетику.
Но поскольку раньше человек наблюдал лишь видимое простым глазом, понятно, что копирование было достаточно поверхностным. Человеческий глаз потребляет всего 20-30 ватт энергии, суперкомпьютер – 1 мегаватт, при этом вычислительная мощность мозга и компьютера соразмерна. Сегодня с помощью рентгеновского излучения мы можем исследовать процессы на атомарном уровне, смотреть, как работают отдельные молекулы. Новые технологии тоже позволяют нам копировать, но теперь мы гораздо глубже и полнее понимаем оригинал.
Также рентгеновское излучение может использоваться в социогуманитарных науках. Казалось бы, что общего между физикой и, например, археологией? Но сегодня границы между науками настолько размываются, что для получения прорывных результатов недостаточно разбираться только в одной области. Нужно иметь комплексный подход и смотреть на объект исследования с разных сторон.
Десятилетия назад мало кто мог бы представить, что знание о работе медицинских приборов может пригодиться египтологу. Никита Марченков рассказал, как к ним в институт привезли мумий, поместили их томограф и изучили их скелет. Дальше эту информацию передали врачам, они проанализировали данные и написали полную историю болезни мумий, а также определили пол и возраст, а затем передали историкам. Историки никогда бы не могли представить, что и не прикасаясь к мумии можно получить настолько богатую информацию о том человеке, который ею стал. Сегодня такие взаимодействия между науками – обычное дело.
Вот еще несколько примеров. Когда просвечивали статую Будды, то оказалось, что в ней замурован индийский монах. Другой случай – история про свитки, найденные в Помпеях, которые были настолько хрупкими, что их нельзя было даже разворачивать. Но с помощью рентгеновского излучения удалось прочитать написанный внутри текст. Рентгеновские лучи – уникальный пример того, как физический метод может применяться в гуманитарных науках.
Также этот метод важен для изучения объектов культурного наследия. Это настоящая находка для искусствоведов. Во-первых, рентгеновское излучение помогает понять химический состав красок, которыми написана картина. А это прямой выход на то, чтобы посмотреть, подлинник перед вами или подделка. Во-вторых, можно увидеть, в какой последовательности накладывались слои краски. Например, мы можем узнать, что у человека рука была нарисована сначала так, а потом художник решил изменить позу героя.
Поэтому рентгеновские лучи находят множество применений в самых разных областях – от самых земных до космических.
