Глава десятая. Как управляют временем

Трансформация времени

Исследование некоторых процессов затруднительно вследствие того, что они протекают слишком медленно. Например, процесс роста растений длится месяцы и годы. Изучение изменений, происходящих в растении в процессе его роста, интересно и важно, однако непрерывные наблюдения в течение столь длительного срока - крайне утомительное и трудоемкое дело. Как бы хотелось в этом случае "сжать" время, ускорить его течение!

Наоборот, исследование других процессов оказывается затруднительным вследствие того, что они протекают слишком быстро.

Кто из любителей спорта не знает, что во время футбольного матча нередко бывают такие напряженные моменты игры, когда у футбольных ворот бегают и прыгают игроки обеих команд и перед глазами зрителей, как фейерверк, мелькают разноцветные майки игроков, а за их одноцветными ногами уже и совсем трудно уследить... Как бы хотелось в этом случае "раздвинуть" время, замедлить!

При изучении различных машин и механизмов часто приходится сталкиваться с процессами, которые длятся лишь тысячные доли секунды. Между тем опыт конструирования и изготовления машин показал, что теоретически чрезвычайно трудно оценить все особенности работы отдельных узлов и деталей. Даже сравнительно долгое опробование опытного образца перед серийным выпуском, с целью выяснения и устранения дефектов, оказывается экономически оправданным. Для получения правильного решения задачи чрезвычайно полезно увидеть течение исследуемого процесса.

Ряд явлений в области баллистики, а также атомной и ядерной физики протекает в промежутки времени порядка миллионных и миллиардных долей секунды. Непосредственное наблюдение таких процессов представляет большие трудности и не всегда эффективно.

Можно ли, не меняя скорости протекания этих процессов, т. е. не искажая их, в то же время изменить длительность их наблюдения?

Для решения такого рода задач в настоящее время В разработаны специальные методы трансформации времени. Однако не следует думать, что трансформаторы времени в какой-либо мере влияют на скорость течения изучаемых процессов (в одних случаях это не нужно, в других - невозможно),- они изменяют лишь длительность их наблюдения. Так, например, при исследовании молнии катодным осциллографом с помощью схемы развертки изображения заставляют электронный луч двигаться в горизонтальном направлении с большой скоростью, между тем как исследуемые сигналы вызывают отклонение луча по вертикальной оси трубки осциллографа. При этом удается получить запись изменений тока и напряжения грозового разряда в крупном масштабе. Таким образом меняется не скорость протекания изучаемого явления, а масштаб времени при его наблюдении.

Наиболее распространенными методами трансформации времени являются осциллографирование, а также специальная фотография и специальная киносъемка.

Специальная киносъемка и специальная фотография

При обычной киносъемке в секунду получают 24 отдельных кадра и с такой же скоростью прокручивают ленту в кинопроекционном аппарате при демонстрации фильма.

При изучении медленно протекающих явлений, например заживления ран, деления клеток, роста растений и т. д., специальная киносъемка позволяет ускорить их просматривание. Для этого через равные промежутки времени, например каждую минуту, каждый час или День, снимается только по одному кадрику фильма. Через несколько дней, месяцев или лет такой киносъемки фильм пропускается через проекционный аппарат с нормальной скоростью. При этом все изменения кажутся непрерывными, но изменяется масштаб времени. Благо даря такой трансформации времени на экране можнс увидеть, как растение "растет у нас на глазах". Процесс, протекающий за месяцы и годы, просматривается за полчаса, в течение которых можно видеть появление ростков из семени растения, набухание почек, завязывание и созревание плодов и, наконец, увядание растения.

Для получения "замедленной" съемки скорость движения ленты в киносъемочном аппарате соответственно увеличивается: получают 120, 240 кадров в секунду. При демонстрации такого фильма с нормальной скоростью (24 кадра в секунду) движения всех тел представляются замедленными. Бегущий человек словно находится не в воздухе, а в воде: такими плавными и медленными кажутся теперь его движения.

С помощью высокоскоростной фотографической съемки оказалось возможным выявить важные особенности целого ряда процессов живой и неживой природы. Удалось заснять движения в тяжелых конструкциях, которые дотоле представлялись совершенно жесткими. Мощные рубильники при их выключении совершают упругие колебания и нередко выходят из строя только в результате вибрации. Тяжелые орудийные лафеты при выстреле совершают колебания и, по словам исследователя Г. Джонса, "трясутся как желе".

Скоростная съемка применялась для сравнения неподвижного пропеллера и пропеллера, вращающегося с большой скоростью. Изучалось распространение пламени и поведение головок клапанов в камере сгорания двигателя с искровым зажиганием. Исследовалось явление короткого замыкания при дуговой сварке, и т. д.

При такой съемке необходимо открыть затвор аппарата или включить импульсный источник света в нужное время, очень точно согласовав эту операцию с развитием самого явления. Для этого различными авторами было разработано много интересных схем и устройств. Так, Шафри фотографировал всплеск в результате падения капли, используя для этого электрический контакт. Для получения такого снимка жидкость была сделана проводящей и один провод подводился к ней. Второй провод помещался на различной высоте над уровнем жидкости так, что замыкание электрической цепи, управляющей вспышкой лампы, производилось с различным запаздыванием, соответствующим разным фазам развития явления (рис. 37).

Рис. 37. Различные фазы всплеска воды при падении капли (по Шафри)

Еще более оригинальная схема задержки была применена для съемки насекомых в полете. Трудность здесь заключалась в том, что для получения достаточно резкого снимка нужно было сфокусировать аппарат на определенную точку сосуда и произвести снимок в тот момент, когда насекомое пролетит через эту точку. Задача была решена с помощью двух скрещенных фотоэлементов и двух источников света, расположенных так, что лучи пересекались в заданной точке. Схема срабатывала только в том случае, когда одновременно оказывались затемненными оба фотоэлемента.

Съемка производилась следующим образом: несколько штук жужжащих и упирающихся объектов съемки пустили в банку, снаружи которой были расположены фотоэлементы и источник света и связанный с ними фотографический аппарат. В момент, когда насекомое оказывалось в заданном месте, срабатывало автоматическое устройство и спускался затвор. Объект, так сказать, сам "даиал команду" снять себя.

Ряд авторов посвятили свои работы спортивным задачам, таким, например, как правильный и неправильный удар клюшкой по мячу при игре в гольф, удар ногой по футбольному мячу (рис. 38). Ряд работ был посвящен биологическим и медицинским задачам: были получены прекрасные снимки насекомых в полете, хамелеона, захватывающего приманку (рис. 39), скачущей лошади (рис. 40). Высокоскоростная киносъемка бьющегося сердца животного до и после экспериментальных нарушений его работы позволила получить важные данные о его строении. Путем увеличения пространственного и временного масштабов при просматривании этих снимков удалось получить сведения не только о работе сердца в целом, но также и о работе отдельных мышечных волокон.

Рис. 38. Импульсный рентгеновский снимок удара по футбольному мячу (по Г. Джонсу)

Рис. 39. Хамелеон, захватывающий приманку (по Эйлсу)

Рис. 40. Различные фазы скачка лошади (по Майбриджу)

Наиболее широко скоростная съемка применялась для решения задач баллистики, например, для изучения поведения снаряда после вылета его из дула орудия, механизма пробивания брони и т. д.

При скоростной съемке быстро протекающих явлений чрезвычайно существенной является синхронизация съемки с изучаемым процессом, создание калиброванного запаздывания съемки, позволяющего выделить ту или иную фазу явления, и получение в кадре меток времени, делающих съемку количественным методом исследования.

Важно отметить, что фотография и киносъемка сами по себе дают лишь качественную характеристику явлений и только сочетание скоростной съемки с пространственно-временной калибровкой позволяет получить очень ценный количественный метод исследования. Фотоснимок или серия снимков позволяют получить общие сведения о течении явления, но только знание соответствующих расстояний и времен дает возможность количественно определить важные параметры изучаемого процесса: смещения, скорости, ускорения, усилия и т. д.

Для временной калибровки, при не очень больших скоростях съемки, применялось одновременное фотографирование на ту же пленку объекта съемки и циферблата часов. При высоких скоростях съемки метки времени получают следующим образом: камертонный генератор, настроенный на определенную частоту (например, 1000 гц), возбуждает искровой разрядник или инициирует вспышку аргоновой лампы. С помощью линзы свет от вспышек фокусируется на пленку между перфорацией и кадром. Таким образом метки времени получаются на той же пленке, где снят объект.

Таковы общие идеи "трансформации" времени для замедленного просматривания быстрых процессов. Методика решения отдельных задач такого рода достаточно интересна, часто оригинальна, нередко изящна и показывает, сколь значительно удалось расширить возможности познания природы.

Рассмотрим несколько методов и приборов, предназначенных для трансформации времени. В камере, разработанной Д. Принсом и В. Ренкиным, экспонирование пленки производится через барабан с малыми отверстиями, вращающийся с очень большой скоростью. В барабане 1000 отверстий. Скорость его вращения 7200 об/мин. Этот прибор позволил получать снимки со скоростью 120 000 кадров в секунду. Камера применялась для съемки ярких облаков, при исследовании дугового разряда в электрическом выключателе и т. д.

Нормальный процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя происходит за время, меньшее 10^-2 сек. При детонации этот процесс происходит значительно быстрее. Последние исследования показали, что волны детонации распространяются со скоростью, большей 1,6 км/сек. Таким образом, такая волна пересекает цилиндр за время 10^-4-10^-5 сек, а для съемки процесса нужны скорости порядка 10⁵-10⁶ кадров в секунду.

Для такой съемки была разработана весьма эффективная система, представляющая собой камеру с неподвижным объективом, неподвижной пленкой и вращающимся зеркалом. Камера позволила осуществить съемку со скоростью 500 000 кадров в секунду. В этой камере основной объектив образует изображение на вращающемся зеркале. Отраженный от вращающегося зеркала пучок лучей пробегает по неподвижным вторично фокусирующим объективам, создающим изображения в различных местах неподвижной пленки. В этом устройстве вследствие большой скорости вращения зеркала экспозиция получается достаточно малой.

В дальнейшем для построения еще более быстродействующих затворов были использованы два физических явления: магнитооптический эффект Фарадея и эффект Керра.

Как известно, свет представляет собой поперечные электромагнитные колебания. В обычном свете представлены любые направления колебаний электрической и магнитной составляющих. Есть некоторые тела, например исландский шпат, в которых свет разделяется на два луча: обыкновенный и необыкновенный. В этих лучах колебания электрической и магнитной составляющих происходят лишь в определенных направлениях, т. е. в каждом из них свет оказывается поляризованным. В настоящее время изготовляются различного типа поляроиды - устройства, пропускающие свет лишь с одним определенным направлением поляризации. Если на пути обычного света стоят два скрещенных поляроида, то через такую систему свет не проходит.

В 1846 г. Фарадей открыл влияние магнитного поля на свет. Убежденный в единстве всех явлений природы, Фарадей в течение многих лет искал взаимодействие между светом и электромагнитными силами и наконец обнаружил, что при помещении в магнитное поле различные тела, в том числе обыкновенное стекло, приобретают свойство искусственного вращения плоскости поляризации света. Это явление получило название магнитооптического эффекта Фарадея.

В настоящее время это явление использовано для скоростной фотографии. Скоростной фотографический затвор, разработанный на основе магнитооптического эффекта Фарадея, состоит из двух скрещенных поляроидов и расположенного между ними стеклянного цилиндра, помещенного внутри катушки, обтекаемой электрическим током (рис. 41 и 42). При прохождении тока через катушку стекло приобретает свойство вращения плоскости поляризации света и затвор открывается. С помощью таких затворов удалось получить экспозиции до одной микросекунды.

Рис 41 Схема фотографического затвора, основанного на явлении Фарадея; 1 - источник света, 2 - диафрагма, 3 - поляризатор, 4 - стеклянный цилиндр, 5 - катушка, 6 - анализатор, 7 - фотокамера, 8 - блок управления

Рис. 42. Стеклянный блок с катушкой от затвора, в котором используется явление Фарадея

В таком устройстве довольно большое количество света теряется вследствие поляризации и поглощения в стеклянном блоке затвора. Однако эти потери света оказываются вполне допустимыми, если производится съемка достаточно ярких объектов, например, различных взрывных явлений. Управление этими затворами производится с помощью импульсов электрического тока. Длительностью импульса определяется величина экспозиции, а регулируемое запаздывание импульса электрического тока по отношению к началу фотографируемого явления позволяет выбрать нужный момент съемки. В общем, затворы такого типа оказались удобными и вполне надежными в работе.

В 1875 г. И. Керр обнаружил, что есть некоторые вещества, например нитробензол, которые приобретают свойство двойного лучепреломления при наложении на них электрического поля. Соответствующий прибор выполняется в виде кюветы, заполненной нитробензолом, в которую введены два плоских параллельных металлических электрода. Такое устройство называют ячейкой Керра. Современный скоростной фотографический затвор, основанный на эффекте Керра, состоит из двух поляроидов, между которыми помещена кювета с металлическими электродами, заполненная нитробензолом. Если поляроиды скрещены, а на электроды не подано электрическое напряжение, то через ячейку Керра свет не проходит. При подаче электрического напряжения на электроды свет через эту ячейку проходит.

Так как электрическая емкость ячейки Керра очень небольшая, то на нее может быть подан весьма кратковременный импульс электрического тока. Поэтому, используя ячейку Керра как фотографический затвор, удается получать экспозиции до стомиллионных долей секунды.

Еще более высокая скорость съемки была достигнута с помощью остроумного приема, основная часть которого была уже давно известна и применялась в так называемых живых картинках и фотографической рекламе. Напомним устройство таких систем. Основную их часть составляет непрозрачная пластинка, в которой имеется ряд прозрачных щелей. Пусть ширина щели в 30 раз меньше промежутка между щелями. Наложим такую кадрообразующую решетку на фотографическую бумагу и отпечатаем то или иное изображение. Затем сдвинем решетку на расстояние, равное ширине щели, и отпечатаем на фотобумаге еще одно изображение. Очевидно, что в данном случае можно на одном листе фотобумаги отпечатать 30 разных неперекрывающих друг друга изображений. При рассматривании экспонированной 30 раз фотобумаги без кадрообразующей решетки вряд ли что-либо удастся на ней разобрать. Однако достаточно наложить на отпечатки кадрообразующую решетку, а затем смещать ее для того, чтобы последовательно увидеть все 30 изображений. Если с помощью кадрообразующей решетки последовательно сфотографировать различные фазы движения, а затем при рассматривании изображений смещать кадрообразующую решетку достаточно быстро, то на снимках фигуры покажутся движущимися.

Для целей скоростной фотографии была изготовлена кадрообразующая решетка со щелями шириной 0,0127 мм каждая, прорезанными алмазом на непрозрачной пластине с интервалом в 0,38 мм. При съемке смещалась не кадрообразующая решетка, а изображение, получаемое с ее помощью, и это достигалось использованием системы из нескольких объективов и вращающегося зеркала. Разумеется, полученные 30 отдельных изображений нужно было рассматривать также через кадрообразующую решетку.

Так как зеркалу удалось придать очень большую , скорость вращения, а для съемки каждого последующего кадра требовалось относительно небольшое смещение изображения, то таким образом удалось достигнуть скорости съемки в несколько сот миллионов кадров в секунду.

Трансформация времени электронно-оптическим преобразователем

Совершенно особые перспективы в отношении изменения масштаба времени открывает использование для скоростной съемки электронно-оптического преобразователя. Возможности научной скоростной съемки в основном определяются четырьмя элементами системы: осветителем, затвором, цепью синхронизации и калиброванной задержки времени, а также устройством для перемещения пленки относительно изображения или изображения относительно пленки.

При настоящем уровне развития техники вопросы освещения не ограничивают скорости съемки, так как при съемке ярких самосветящихся объектов оказывается достаточно собственного света, а при съемке несамосветящихся объектов достаточная яркость освещения обеспечивается импульсными источниками света. Не ограничивают скорости съемки и цепи синхронизации и задержки, так как электронная коммутация может быть сделана достаточно быстродействующей.

Значительно более трудным оказывается создание достаточно быстродействующего затвора. Затвор, основанный на явлении Фарадея, имеет небольшое, угловое отверстие. К тому же в настоящее время с его помощью получают экспозиции не меньше микросекунды. Затвор с ячейкой Керра позволяет получать экспозиции до сотой доли микросекунды, но тоже имеет небольшое угловое отверстие. Кроме того, он дает значительное поглощение света и обладает ограниченной спектральной полосой пропускания.

Еще более трудной оказывается задача создания перемещения пленки или изображения с требуемой весьма высокой скоростью.

Использование системы электронно-оптического преобразователя в качестве скоростного затвора и одновременно как устройства для смещения изображения имеет ряд преимуществ перед ранее описанными приборами. В съемочной камере с электронно-оптическим преобразователем можно получить чрезвычайно короткие экспозиции и настолько большие скорости съемки, что разрешающее время оказывается порядка миллиардных долей секунды. Электронно-оптический преобразователь позволяет усиливать яркость изображения. Наконец, использование электронно-оптического преобразователя открывает возможность наблюдения в инфракрасных и рентгеновских лучах.

Принцип действия электронно-оптического преобразователя следующий. Оптическое изображение объекта С₁ фокусируется на фотокатод К (рис. 43). При этом из фотокатода выбиваются электроны е, которые под действием электрического поля устремляются к экрану Э. Количество электронов, выбитых из различных мест фотокатода, пропорционально яркости соответствующих точек оптического изображения. Поток электронов, представляющий собой "электронное изображение" объекта съемки, движется в пространстве между фотокатодом и экраном. B этом пространстве действует электрическое поле О, фокусирующее электронный пучок. Это электрическое поле создано с помощью заряженных поверхностей и является аналогом линзы в оптических системах. При ударе быстрых электронов о флуоресцирующий экран на экране возникает оптическое изображение объекта С₂.

Рис. 43. Принципиальная схема преобразователя изображения

Так как фотокатод можно заставить работать не только от видимых глазом лучей, но и от инфракрасных или рентгеновских, то с помощью преобразователя съемку можно производить в широкой области светового спектра.

Манипуляции с фокусирующей системой трубки позволяют получать как уменьшенное, так и увеличенное изображение объекта. Поскольку яркость свечения экрана зависит от энергии ударяющихся об него электронов, то усиление яркости оптического изображения, возникающего на нем, может быть получено путем ускорения потока электронов. Для этого на анод трубки подается высокое напряжение (6 кв).

Теперь рассмотрим, как производится высокоскоростная съемка.

Изображение объекта X (рис. 44) с помощью линзы L фокусируется на поверхность фотокатода трубки I. В качестве источника света используется импульсная лампа Е. Все переключения при съемке производятся с помошью системы быстродействующих электрических переключателей, связанных между собой. Нажатием ключа S₀ включается импульсная лампа и одновременно посылается сигнал тока в блок S₁, управляющий включением трубки электронно-оптического преобразователя. Однако прежде чем попасть в блок S₁ сигнал тока проходит через калиброванный замедлитель D₁,создающий нужное запаздывание начала съемки,

Рис. 44. Схема получения отдельных фотоснимков с преобразователем. X - объект съемки, Е - источник света, L - объектив, I - трубка преобразователя изображения, С - фотокамера

При срабатывании блока S₁ трубка отпирается и начинается съемка и одновременно посылается сигнал тока в блок S₂, управляющий выключением преобразователя. Прежде чем попасть в блок S₂, сигнал тока проходит через калиброванный замедлитель D₂. Таким образом, замедлитель D₂ управляет величиной экспозиции при съемке.

Фотоаппарат С служит для съемки изображения, получающегося на экране электронно-оптического преобразователя.

Отпирание и запирание изображения, перемещение его по экрану трубки, синхронизация этих манипуляций с различными моментами или течением снимаемого процесса, создание заданной задержки времени, наконец, строгая калибровка съемки по времени,- в общем, любого рода коммутация изображения в электронно-оптическом преобразователе производится быстрее, легче и точнее, чем в какой-либо из ранее описанных систем. Это происходит потому, что изображением управляют на той его промежуточной стадии, когда оно существует как электронное, т. е. управляют не пучком света, а пучком электронов.

С помощью такой системы была получена серия снимков с экспозицией 0,1 мксек, показывающих различные стадии развития и затухания разряда импульсной лампы.

На настоящем этапе развития техники высокоскоростной съемки с электронно-оптическим преобразователем предел увеличению скорости кладется возможностями смещения изображения. Куртней-Пратт путем подачи на отклоняющие катушки синусоидального тока получил скорости отклонения около 300 000 м/сек, что в тысячу раз превышает скорости, достигнутые с лучшими механическими (например, барабанными) устройствами. Полученное при этом разрешающее время было около миллиардной доли секунды. Это значит, что такая установка в состоянии отметить разность во времени прихода двух световых лучей с разностью хода меньше одного метра.

Отдельные снимки таких сверхскоростных серий столь кратковременны (миллионные, десятимиллионные и даже миллиардные доли секунды), что при рассматривании этих фотографий кажется, будто для их получения на миг удалось "остановить" время. Такое впечатление невольно создается, когда, например, рассматриваешь серию снимков, на которых запечатлены отдельные моменты опрокидывания мчащегося автомобиля, полет ракеты, разные этапы пробивания брони пулей, течение разряда в импульсной лампе, перегорание плавкого предохранителя, развитие детонации в камере сгорания автомобиля или последовательные моменты развития взрыва и т. д.

Специальная киносъемка в соединении с микроскопом оказалась чрезвычайно полезной при исследовании ряда явлений живой и неживой природы.