Świętujemy Rok Wolfkego, część 3. Kryształy to takie małe siatki dyfrakcyjne

Są takie prace, które zmieniają ludzkie losy, a nawet losy świata. Tak mogło być z publikacją Mieczysława Wolfkego pt. „Über die Möglichkeit der optischen Abbildung von Molekulargittern” („O możliwości obrazowania optycznego siatek molekularnych”). Stało się jednak inaczej. Zapraszamy na kolejną część opowieści o wyjątkowym naukowcu i wynalazcy związanym z Politechniką Warszawską.

Rok 2022 jest poświęcony Wolfkemu. W ten sposób Polskie Towarzystwo Fizyczne, Politechnika Warszawska, Komitet Fizyki PAN i Polskie Stowarzyszenie Fotoniczne upamiętniają badacza i jego osiągnięcia.

Zainteresowany nauką

W pracy, która nie przyniosła Wolfkemu uznania, przedstawił ideę, która mogła mu przyjść na myśl podczas pobytu w Karlsruhe. Dziś powiedzielibyśmy, że Wolfke odbywał tam w 1912 roku staż post-doc w zespole prof. Ottona Lehmanna, nazywanego dziś ojcem ciekłych kryształów. Był to czas, gdy Max von Laue (późniejszy recenzent dorobku Wolfkego w przewodzie habilitacyjnym w Zurychu) oraz William Henry Bragg z synem tworzyli nową metodę badawczą struktury materii, polegającą na potraktowaniu atomów sieci krystalicznej jako siatek dyfrakcyjnych dla promieniowania rentgenowskiego. Odkrycie to zostało uhonorowane Nagrodami Nobla w latach 1914-1915.

– Wolfke, którego doktorat dotyczył teorii obrazowania optycznego siatek dyfrakcyjnych, oczywiście musiał znać te wyniki i żywo się nimi interesować – opowiada dr inż. Krzysztof Petelczyc z Wydziału Fizyki, współautor biografii naukowca i koordynator obchodów poświęconego mu roku. – Szczególnie, że Wolfkego od dzieciństwa fascynowały nowinki ze świata nauki i śledził na bieżąco doniesienia najważniejszych czasopism naukowych.

Pół drogi w procesie obrazowania

W swoich badaniach nad światłem zajmował się fizyką powstawania obrazów. Można powiedzieć, że był w tej dziedzinie ekspertem.

– Zapewne czytając o dyfraktometrii rentgenowskiej, bo tak nazywa się ta metoda, szybko skojarzył, że klisza zaczerniona przez promieniowanie X, zawierająca wzór interferencyjny wskazujący na odległości między atomami, to nic innego jak obraz pierwotny sieci molekularnej – wyjaśnia dr Petelczyc. – Taki obraz pierwotny to jakby pół drogi w procesie obrazowania.

Jak wiadomo, obrazowanie to technika, mająca na celu utworzenie rozkładu światła na ekranie, który przedstawiać będzie możliwie wiernie pewien przedmiot (świecący lub oświetlony). Okazuje się, że fizykę tego procesu można rozdzielić na dwa etapy.

– W pierwszym tworzony jest obraz pierwotny, tzw. widmo przestrzenne pola optycznego, w którym informacja jest rozdzielona na obszary odpowiadające drobnym szczegółom, czyli szybkim zmianom kontrastu oraz obszarom o bardziej jednolitej jasności – tłumaczy dr Petelczyc. – Biegnąc dalej, światło z powrotem układa się w obraz podobny geometrycznie do przedmiotu.

Główna idea holografii

Wolfke zauważył, że jeśli obraz pierwotny sieci molekularnej zostanie zapisany, to może być potraktowany jako przedmiot (siatka dyfrakcyjna), który w pierwszym etapie obrazowania odtworzy obraz atomów. Twierdzenie sformułowane przez naukowca w słowach „obraz pierwotny obrazu pierwotnego jest podobny do przedmiotu” jest istotnie główną ideą holografii.

– Myślę, że dla Wolfkego twierdzenie to było z jednej strony naturalne, bowiem tak właśnie opisuje się proces tworzenia obrazów, z drugiej jednak pomysł zapisania obrazu pierwotnego był czymś zupełnie nowym – zwraca uwagę dr Petelczyc. – Jak się potem okazało, w ten sposób można zachować informację o fazie, a więc kierunku biegu światła, a nie tylko jego jasności. Wolfke udowodnił analitycznie swoje równanie w pewnych warunkach, a także zaproponował, aby do odtworzenia użyć światła widzialnego, a nie rentgenowskiego. Jak konkludował, pozwoliłoby to na bardzo duże powiększenie obrazu sieci molekularnej, umożliwiające zobaczenie atomów za pomocy mikroskopu.

Nagroda Nobla nie dla Wolfkego

Opracowanej teorii nie udało się potwierdzić doświadczalnie. Być może dlatego właśnie praca została wydana dopiero w 1920 roku, gdy Wolfke w oczekiwaniu na przeprowadzkę do Polski zamykał projekty naukowe prowadzone w Zurychu.

– Wolfke napisał wyraźnie pod koniec artykułu, że próbował eksperymentów, lecz brakowało mu silnych źródeł światła spójnego – opowiada dr Petelczyc. – Lasery, które spełniają te wymagania, zostały wynalezione dopiero w latach 60., a sama koncepcja, mimo, że opublikowana w jednym z najbardziej renomowanych ówcześnie periodyków naukowych – „Physikalische Zeitschrift” – popadła w zapomnienie.

W 1947 roku – roku śmierci Wolfkego – obrazowanie dwustopniowe zostało niezależnie odkryte na nowo i opatentowane przez Dennisa Gabora. Przeprowadzone przez niego w latach 60. udane eksperymenty udowodniły ostatecznie poprawność teorii i przyniosły mu w 1971 roku Nagrodę Nobla. Odbierając ją, Gabor powiedział, że korzystał z prac Fritsa Zernickego i Braggów, nie wiedząc, że Wolfke zaproponował tę samą metodę już w 1920 roku.
 

W pierwszej części cyklu piszemy, jak 17-letni Wolfke opracował urządzenie będące pierwowzorem telewizora

W drugiej części odkrywamy, co łączy Wolfkego z najwybitniejszymi fizykami XX wieku