光學——使人能看見肉眼看不見的東西
大自然的美景、燦爛的日落、嬌豔的鮮花——這些都是賞心悅目的美物。即使我們很少想到視覺所牽涉到的東西，我們無疑十分欣幸我們具有視覺。
我們的眼睛雖然十分奇妙，但是若沒有光學儀器的幫助，我們所看見的只是事物的一小部分而已。藉著運用各種光學儀器——由普通的放大鏡到望遠鏡、顯微鏡、特別的照相機、分光鏡等——光學（意即對光所作的研究）大大擴充了我們對自己和周遭世界的認識。
即使你可能熟悉某些光學儀器，但你知道它們是怎樣發揮作用的嗎？例如，放大鏡為何能把物件放大？究竟什麼使一種儀器把微生物的世界向我們顯露出來，另一種儀器卻使我們能夠目睹廣闊無涯的穹蒼？很久以來，光學一直是一門引人入勝的科學。
一項基本要素
你試過手持放大鏡，把一束陽光聚集在一張紙上，燒出一個小孔來嗎？在這件事上，你所運用的是一種最簡單的光學儀器——透鏡。紙上的小點其實是你手上簡單的透鏡所產生出來的太陽影像。由於把那束陽光的所有能量都集中在一小點上，結果產生足夠的熱力把紙張燃燒起來。
另一類大家都熟悉的透鏡是位於照相機前部的透鏡。你也許知道，要拍攝一張相片，就須把來自一件物體的光線集中起來投射在感光片上。這正是透鏡主要擔任的工作。它把光線集合起來，形成一個有適當大小和強度的影像，可以被看見或記錄下來。但是透鏡怎能把光線弄曲，藉此使光線集中在一個焦點上呢？答案與一個稱為折射的光學自然現象有關。
你若把一根木棒浸入一盆水裡，你見到什麼呢？木棒看來在接觸水面的地方扭曲了，對嗎？這種常見但又奇怪的現象表明，當光線從一種介質進入另一種介質時，例如由水進入空氣，除非光線以垂直的角度穿過兩者交界之處，否則光線便扭曲而非繼續以直線前行。科學家稱這種現象為折射。光線折射的程度有賴於介質本身——空氣，水，油，玻璃等——和入射角。所謂入射角就是在光線進入的那點上，光線與垂直線所形成的角度。
現在讓我們再看看照相機內的透鏡。你會留意到透鏡的表面不是平坦而是彎曲的，像球體的凸面一樣。現在試想像有一束光線從一段距離之外向著透鏡射來。在透鏡的中央，光線與透鏡的表面成直角，因此光線直線進入其中而沒有任何折射。光線越接近透鏡的邊緣，入射角便越大。這意味到射來的光線距離中心點越遠，透鏡所做的折射就越大。由於這緣故，所有來自同一點上的光線在通過一塊適當設計的透鏡後，會在透鏡的另一面聚集在一個焦點上而形成影像。
設計一項光學系統
可是，使事情更為複雜的是，光有不同的顏色或波長，以不同的程度發生折射。這可以解釋為何當陽光穿過一塊稜鏡時，光線會被分開而形成一道彩虹。這正是發生在普通的透鏡上的情形；影像通常都有著了色的邊緣，同時也扭曲了。
這個難題可以藉著精密的設計而加以克服。例如，科學家知道透鏡玻璃內的化學成分可以改變透鏡的折射特性。藉著製造一組由不同種類的玻璃所製成，而且各有不同曲度的透鏡，設計者能夠使偏差和扭曲的情形減至最低程度。
可是，要設計這樣的一個系統絕不簡單。這需要很多人花幾個星期或幾個月的時間，作許多繁複的計算才能產生一個設計。今日，人們已採用電腦來計算光線在角度上可能產生的偏差，透鏡與透鏡之間的距離，每塊透鏡的曲度和其他很多因素。電腦會選出效率最高的透鏡系統組合。
一架優良的照相機的鏡頭可以有四至七個透鏡元件，其表面準確到幾萬分之一毫米。每一元件都需要依據與其他元件的準確關係而裝置上去。為了捕捉到最大程度的光線，鏡頭每一個透鏡元件的直徑都在合乎實際的範圍內造到最大。製造這些東西所費不貲，因此精確的照相機十分昂貴。例如，在太空穿梭機上有一架照相機，可以在離地面240公里的太空把地球表面直徑10米的物件拍攝下來。這副照相機內有一個鏡頭包含八個元件，價值達九百萬美元之巨！
看見肉眼不能見的東西
試想想要設計、製造和測試用在望遠鏡內的光學系統牽涉到什麼？這個望遠鏡使我們能夠觀看到廣大無垠、令人生畏的宇宙。我們的肉眼無法看見來自遙遠恆星的微弱亮光。望遠鏡卻能盡量把來自這些遙遠恆星的光線聚集起來，聚集在一個共同點上而形成一個可見的影像。
大部分光學望遠鏡都採用一片凹面鏡去收集微弱的光線。舉個例，裝設在帕洛馬山上的著名黑爾望遠鏡有一塊直徑達5米的鏡子，這個望遠鏡能夠窺見遠達幾十億光年以外的地方。這誠然令人嘆為觀止，但是若與現在設於夏威夷的冒納凱阿火山上的巨型望遠鏡比較，就顯得黯然失色了。後者有一塊直徑達10米的鏡子——把光線聚集起來的能力四倍於帕洛馬山上的望遠鏡。事實上，據霍華德·凱克說，這個望遠鏡的性能如此強大，以致「能夠從月球那樣遠的距離看見一支蠟燭的亮光。」凱克便是曾捐出7000萬美元來資助該項計劃的基金會的主席。
天文學家現在已開始將注意轉到另一類望遠鏡之上：價值16億美元的HST(哈布爾太空天文望遠鏡）。它由太空穿梭機所發射，在地球上空500公里的太空軌道上環繞著地球飛行。由於沒有地球大氣層的障礙，它可以很清楚地看見遠處的事物。據《天空與望遠鏡》雜誌說，在理論上，它的分辨力強到「足以分辨2500哩（約4000公里）外一輛汽車的左右燈。」為了要達到這麼強的分辨力，它那塊2.4米直徑的鏡片需要準確到不出二萬分之一毫米之差。可是令所有人大失所望的是，HST所發送回來的第一批影像竟是模糊不清的。顯然是在製作時出了毛病。《新科學家》雜誌的一項報告說：「一塊人造膠卷的碎片，只及一粒沙那麼大，在製造望遠鏡的主要鏡片時中斷了校準儀的運作，結果鏡片給打磨得太扁了。」顯然，甚至最尖端的高科技產品仍會有出錯的可能！
從望遠鏡我們可以看見遠處的事物。現在，讓我們用顯微鏡來看看近處的東西。早期的顯微鏡與放大鏡的功能差不多。到17世紀，複合顯微鏡開始受人使用。在這個儀器中，一塊透鏡所形成的影像會被另一塊透鏡作進一步的放大。第一塊透鏡通常稱為物鏡，因為它是用來向著那被觀察的物體的，第二塊透鏡則稱為目鏡。
顯微鏡若要發揮作用，就必須能夠把來自一個細小物體的最多光線收集起來。為了達到這目的，物鏡被造成半球體的形狀，就好像蘑菇的頂部。雖然鏡的直徑只及一毫米或更小，鏡的表面一定要準確到千分之一毫米。
饒有趣味的是，看見細微物體的能力主要不是依賴儀器而是依靠用來照明的光。所觀看的物品體積越小，用來照明的光的波長就必須越短。光學顯微鏡使用可見的光，這限制了它們所能觀察的物體，闊度不能小過萬分之一毫米。藉著早期的顯微鏡之助，科學家獲悉植物是由數之不清的細胞所組成的——在當時是一項新發現。今日，生物科的學生能夠藉著學校置備的顯微鏡之助窺探細菌和血球的領域。
要觀察更微細的物體，我們可以使用電子顯微鏡。正如這名稱暗示，它不採用可見的光而是向細微的物體——有些小至百萬分之一毫米——發出高能量電子。這種方法使病毒和較大的分子都得以現在眼前。
但原子和原子核的結構又如何？為了察看這些東西，科學家需要把原子「打碎」，然後運用電腦把結果繪畫出來。因此，在某種意義上，最龐大和最強力的「顯微鏡」就是粒子加速器——回旋加速器、同步加速器和其他——其中有些的大小是以公里來量度的。這些儀器使科學家能夠對於把宇宙維繫起來的力量的奧祕略有所知。
奇妙的視覺
你也許以為，與這些複雜的儀器比較，人的眼睛一定是很簡陋了。或者可說是簡單，但卻絕不簡陋！我們的眼睛對於看見不同的顏色毫無困難。它的自動對焦系統既敏捷又富效率。它所看見的影像是立體的。它能夠看出數百萬深淺程度不同的顏色和光線。它能夠每十分之一秒便製造和記錄一個新影像。它的功能簡直不勝枚舉。人的眼睛是多麼奇妙的傑作！
不論是否使用光學儀器，我們都多麼感激我們有視覺！對巨大、細微、能看見和不能看見的物體增加認識為我們帶來了很多具體的裨益。但最重要的是，視覺的奇妙恩賜，連同我們藉著光學所獲知的一切事物，應當幫助我們看出供應這些東西的創造主耶和華上帝具有多大的智慧和愛心。——詩篇148篇；箴言20:12。
［第15頁的圖片］
壯觀的獵戶星雲，位於1,300光年以外
［鳴謝］
NASA photo
嵌圖：設於美國亞利桑那州基特峰國立天文台的望遠鏡之一
［第16頁的圖片］
上圖：飛蛾翅膀上一塊鱗片的基部，由電子顯微鏡加以放大
左下圖：放大了4萬倍之後，甚至可看見更多細節，顯示出一切生物均具有的複雜設計。
［鳴謝］
Top and bottom left: Outdoor Pictures
右下圖：在羅伯特·胡克於1665年發表的《顯微繪圖》一書中，胡克所製的早期複合顯微鏡
［鳴謝］
Historical Pictures Service