Сквозь плоть и время: как один эксперимент перевернул представление о диагностике

5 января 1896 г. в Вене была опубликована статья о новом виде излучения, открытом немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Сам он называл его X-лучи, хотя для нас оно больше известно как рентгеновское излучение. Открытие быстро нашло практическое применение Сейчас его используют в самых разных сферах – от медицины и промышленности до астрономии и искусства. «Ведомости» рассказывают, как удалось обнаружить новый вид излучения и чем оно помогает в повседневной жизни.

Увидеть сквозь материю

Вечером 8 ноября 1895 г. Вильгельм Конрад Рентген в очередной раз задержался в лаборатории Вюрцбургского университета. Ученый нередко засиживался допоздна, экспериментируя с катодными трубками – устройством, которое незадолго до этого открыли его предшественники. На тот момент Рентгену было 50, за плечами – солидный опыт работы в ведущих немецких университетах.

Рентген родился 27 марта 1845 г. в городе Леннепе (Прусская империя) в семье торговца и производителя тканей. Он окончил Цюрихский политехнический институт, где получил в 1869 г. степень доктора философии. В 1872 г. женился на Анне Берте Людвиг. В последующие годы ученый работал в университетах Страсбурга, Гиссена, Хоэнхайма, а в 1888 г. возглавил кафедру физики Вюрцбургского университета.

Физик изучал явления, сопровождающие прохождение электрического тока через газ с низким давлением. К тому времени Ойген Гольдштейн, Уильям Крукс, Филипп Ленард и другие исследователи уже открыли катодные лучи. Но в этот раз Рентген увидел необычное явление: на бумажной пластине, покрытой солью бария и помещенной в черный контейнер, на пути лучей были светящиеся пятна. Они проявлялись даже на расстоянии до двух метров от трубки.

«Этот эффект мог быть получен, выражаясь обычным языком, только при прохождении света. Свет из трубки не мог исходить, потому что экран, закрывавший ее, был непроницаем для любого известного света, даже для света электрической дуги <…> Это было явно что-то новое, нечто неизведанное», – рассказывал Рентген в интервью американскому изданию McClure's Magazine несколько месяцев спустя. На вопрос журналиста о том, что именно он открыл, ученый честно ответил: «Я не знаю».

В ходе дальнейших экспериментов Рентген выяснил, что лучи могут проникать сквозь непрозрачные предметы, не отражаясь и не преломляясь, а объекты разной толщины демонстрируют различную прозрачность на фотопластинке. Ученый установил, например, что лучи совершенно не проходят через свинец и в значительной степени поглощаются другими металлами в зависимости от их плотности.

Вскоре физик пригласил в лабораторию жену и предложил ей сделать снимок ее руки. На первой в истории рентгенограмме отчетливо проступили кости и кольцо, а мягкие ткани дали лишь слабую тень. Благодаря этому эксперименту стало понятно: человеческий организм можно увидеть изнутри.

Хотя, по легенде, жена ученого была потрясена снимок и воскликнула: «О господи, я вижу свои кости. Мне кажется, что я смотрю на собственную смерть!». Но самого Рентгена открытие привело в восторг, поскольку оказалось не плодом его воображения, а реальностью, писали в своей книге «Десять величайших открытий в истории медицины» Мейер Фридман и Джеральд Фридланд.

От сомнений к триумфу

28 декабря 1895 г. в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена «О новом типе излучения». Затем он выпустил еще две работы, посвященные его открытию. Эти труды, по словам его ученика, советского физика Абрама Иоффе, «такой необыкновенной полнотой раскрыли природу нового явления, равной которой мы не знаем в истории науки. И это характеризует Рентгена как блестящего исследователя».

1 января 1896 г. Рентген направил оттиск своей статьи и девять фотографий в Берлинский университет, а также разослал сделанные им снимки различным ученым. 

Первым публичным показом стал выпуск от 5 января 1896 г. венской газеты Die Presse, где благодаря австрийскому физику Францу Экснеру была опубликована фотография руки жены Рентгена.

Через несколько дней материалы Рентгена презентовали на собрании, посвященном празднованию юбилея Физического общества Берлина. Поначалу открытие осталось незамеченным научным сообществом, но на мероприятии присутствовала подруга вдовствующей императрицы-матери, которая проявляла интерес к научным новинкам.

12 января 1896 г. Рентген выступил перед кайзером Вильгельмом II с лекцией о своем открытии, после которой император наградил его орденом Короны 2-го класса. Личный интерес монарха к рентгеновским лучам был вызван деформацией его левой руки, полученной еще во время родов, полагают авторы статьи, опубликованной в журнале Belgian Society of Radiology. В том же году была выполнена рентгенограмма скелета Вильгельма II. 

Открытие Рентгена вызвало небывалый ажиотаж, поскольку ученые и врачи быстро оценили потенциал нового метода как уникального диагностического инструмента.  Вместе с тем рентгеновские снимки вызывали у людей смешанные чувства: способность лучей проникать сквозь одежду и плоть, обнажая внутренние органы, воспринималась многими как нечто граничащее с непристойностью, отмечали авторы книги «Десять величайших открытий в истории медицины». В первые полгода после открытия вошли в моду заведения, предлагавшие сделать рентгеновские снимки. Некоторые посетители падали в обморок при виде собственного скелета.  

Нередко великие открытия сопровождаются обвинениями в плагиате. Рентген в этом отношении не стал исключением. Есть версии, что X-лучи наблюдали и другие ученые, хотя и не придали им значение. Например, схожие исследования мог проводить американский физик Никола Тесла. 

«Я – мать рентгеновских лучей. Как акушерка не отвечает за механизм родов, так и Рентген не был ответственен за открытие рентгеновских лучей, которые просто упали ему на колени. Рентгену оставалось лишь нажать кнопку, поскольку вся основа была подготовлена ​​мной... Без меня имя Рентгена было бы неизвестно», – рассказывал в интервью в сентябре 1945 г. немецкий физик Филипп Ленард.

Ленард – лауреат Нобелевской премии 1905 г. «за исследовательские работы по катодным лучам» – вначале поздравил своего коллегу с открытием, но позднее оспаривал его достижения. Ученый утверждал, что Рентген совершил открытие благодаря трубке, которую он ему накануне подарил. Однако американский врач Льюис Эттер нашел в Вюрцбурге вещественные доказательства того, что Рентген не полагался на алюминиевую трубку Ленарда в ключевых экспериментах. Вместо этого он использовал более ранние варианты этого инструмента, разработанные другими исследователями. 

Несмотря на дискуссии о возможном предшествующем опыте других ученых, Рентген проводил свои эксперименты независимо и не был знаком с их результатами.  Кроме того, он первым опубликовал научные статьи, в которых описал X-лучи. В конечном счете важность открытия Рентгена ни у кого не вызывало сомнения. 

Без патентов и громких титулов

Самого Рентгена интересовал сам факт открытия, а теоретические объяснения явления. В своих письмах он писал: «Какова природа лучей, мне совершенно неясно, и являются ли они в действительности продольными лучами света, для меня это второстепенный вопрос. Главное – факты». 

Тем не менее в первой же статье ученый  задавался этим вопросом и пытался на него ответить: «Разве эти новые лучи не следует приписать продольным колебаниям в эфире? Должен признаться, что в ходе расследования я все больше убеждался в правоте этой идеи и поэтому позволяю себе высказать здесь это подозрение, хотя прекрасно понимаю, что данное объяснение все еще нуждается в дополнительном обосновании». 

Рентген еще год занимался исследованием лучей, но затем прекратил эксперименты, а его открытие начали развивать уже другие ученые. Позднее они раскрыли их природу и различные способы применения, а также их потенциальную опасность для здоровья человека. Сейчас мы знаем, что открытое Рентгеном явление представляет собой невидимое электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее на шкале электромагнитных волн промежуточное положение между ультрафиолетовым и гамма‑излучением.

В 1901 г. Рентгену присудили первую в историю Нобелевскую премию по физике «в знак признания его исключительных заслуг, выразившихся в открытии замечательных лучей, впоследствии названных в его честь». Ученый обошел десятерых конкурентов. 

Хоть Рентген и принял награду, в отличие от многих других ученых, получив медаль из рук короля Швеции, не произнес торжественной речи. А денежную часть премии он перечислил Вюрцбургскому университету, где совершил свое открытие. 

К моменту вручения награды Рентген уже работал в Мюнхенском университете. Несмотря на достойные предложения – в частности, пост президента Физико-технического имперского института в Берлине и кафедру физики Берлинской академии – он остался на своем месте. Скромность ученого проявилась и в другом эпизоде: он отказался от ордена, который давал право на дворянское звание с приставкой «фон» к фамилии.

Примечательно и то, что Рентген настаивал на нейтральном названии своего открытия – «Х‑лучи», возражая против присвоения излучению собственного имени. Термин, предложенный первооткрывателем», сейчас используется во многих странах мира,. В русскоязычной же научной традиции закрепилось понятие «рентгеновское излучение» – во много благодаря усилиям ученика Рентгена,советского физика Абрама Иоффе. Хотя в других странах оно тоже встречается.

Ученому также предлагали запатентовать открытие и продать его, но он отказывался от этого. «Изобретения и открытия принадлежат человечеству, и их использование не должно регулироваться с помощью патентов и лицензий», – заявлял Рентген. 

Излучение, спасающее жизни

Не прошло и месяца с открытия X-лучей, как его начали применять в медицине. В Берлине с конца XIX в. работало специальное общество «Урания», занимавшееся популяризацией новейших научных достижений. Для широкой публики в театре с балкона читались регулярные лекции. 

Считается, что руководитель секции физики университета «Урания» Пауль Шпис сделал первый публичный рентгеновский снимок в Берлине 20 января.

«Я применил его, как только стало очевидно проникновение в плоть, к фотографии руки мужчины. Что-то в ней беспокоило его годами, и на фотографии сразу же проявился небольшой посторонний предмет <...> Это пятнышко – небольшой кусочек стекла, который был немедленно извлечен и который, по всей вероятности, в противном случае остался бы в руке мужчины до конца его дней», – рассказывал в интервью Шпис. 

Уже в 1896 г. X-лучам было посвящено свыше 1000 научных статей. В том же году была сделана первая стоматологическая рентгенограмма.

Новый виток в развитии диагностической визуализации произошел в 1970‑е  с появлением томографии. Технология позволила впервые детально изучать внутренние структуры мозга. Сейчас томография стала настолько повседневным явлением, что в США, например, врачи по умолчанию направляют на обследование пациента – отчасти из-за опасений, что в случае судебного разбирательства отсутствие такого исследования может быть истолковано как проявление профессиональной некомпетентности.

Помимо диагностики, рентгеновское излучение нашло важное применение в лечении. Лучевая терапия стала одним из ключевых методов борьбы с онкологическими заболеваниями, позволяя воздействовать на злокачественные новообразования с высокой точностью.

От рельсов до картин

Но медициной все не ограничилось: рентгеновское излучение нашло применение и в других сферах – промышленности, искусстве, криминалистике и даже освоении космоса. Впрочем, поначалу его использовали весьма своеобразно. Например, в 1924 г. в США изобрели педоскоп – специальный деревянный ящик для примерки обуви в магазине. Покупатель, вставив в него ногу, мог проверить, насколько хорошо сидит обувь.

Только в США появилось около 10 000 таких аппаратов, в Великобритании – еще порядка 3000. Явление было настолько массовым, что нашло отражение и в мировой литературе: обувь в педоскопе примеряет герой романа Владимира Набокова «Дар» – в произведение он называется современным словом «рентгеноскоп». После же того, как ученые  все больше узнавали о радиации, эти приборы стали ограничивать законодательно. В итоге они исчезли из магазинов. 

Сегодня рентгеновские технологии решают куда более серьезные задачи. В промышленности метод применяют для выявления дефектов – например, в рельсах или сварочных швах. У этого направления есть даже отдельное название «рентгеновская дефектоскопия». 

В аэропортах с помощью рентгеновских установок досматривают багаж и ручную кладь, предотвращая провоз запрещенных предметов и контрабанды.

Благодаря рентгеновской астрономии ученые смогли наблюдать, как звезда разрушается, приблизившись к черной дыре. В 2022 г. американский ученый Риккардо Джаккони получил Нобелевскую премию за создание рентгеновской астрономии и изобретение рентгеновского телескопа. 

Не менее значима роль рентгена в биологии: именно рентгеноструктурный анализ позволил установить спиральную структуру молекулы ДНК.

Рентген помогает и археологам. Изучив мумии фараонов через томограф, можно узнать, чем болели древнеегипетские правители, а также определить их возраст. В 2015 г. внутри 1000-летней статуи Будды обнаружили тело монаха, замурованного в позе лотоса во время медитации. В 2017 г. итальянские и российские специалисты смогли прочитать текст на обугленном свитке из древнеримского города Геркуланума, уничтоженного в 79 г. н.э. во время извержения Везувия.  

В искусстве рентгеновские лучи стали незаменимым инструментом исследования и реставрации. Они позволяют заглянуть под верхние слои краски, не повреждая полотно, – так ученые узнают об истории создания картины и подбирают оптимальные условия хранения. Анализ химического состава красок помогает отличить подлинник от подделки. Также рентгеном пользуются и ювелиры, чтобы определять, драгоценные ли камни к ним попали (рентгеновская флуоресценция). 

В 2017 г. на картине Иоганна Вермеера «Девушка, читающая письмо у открытого окна» исследователи смогли обнаружить с помощью рентгена на месте стены закрашенное изображение Купидона. А под слоем краски «Моны Лизы» Леонардо да Винчи в 2016 г. нашли еще два самостоятельных портрета, которые отличаются от известного нам. Ученые предполагают, что одно из них может быть лицом настоящей натурщицы, хотя другие считают, что это лишь этапы работы знаменитого художника.  

Более того, рентгеновские снимки сами стали искусством. Итальянская художница Бенедетта Боничи использует рентгеновский аппаратом как художественный инструментом для творчества и с его помощью создает картины. Помимо этого, художники делают коллажи из рентгеновских снимков ракушек или изображения цветов, дополняют фотографии вышивкой и даже делают эротические календари с обнаженными моделями.

Любопытный культурный феномен возник в СССР: меломаны записывали подцензурную музыку на рентгеновские снимки. В итоге получались кустарные грампластинки, называвшиеся «музыка на костях» или просто «ребра», поскольку на них были видны разные части скелетов. Такой «рентгениздат» стал своеобразным символом эпохи. 

«Рентген был большой и цельный человек в науке и в жизни. Вся его личность, его деятельность и научная методология принадлежат прошлому. Но только на фундаменте, созданном физиками XIX века и, в частности, Рентгеном, могла появиться современная физика», – отмечал академик Абрам Иоффе. С 2012 г., в день открытия Вильгельмом Рентгеном X-лучей, сейчас отмечается Международный день радиологии.