Βλέποντας τα Αόρατα—Η Επιστήμη της Οπτικής

ΕΝΑ γραφικό τοπίο, ένα λαμπρό ηλιοβασίλεμα, ένα χαριτωμένο λουλούδι—πράγματα όμορφα που χαίρεται να βλέπει κανείς. Αν και σπάνια σκεφτόμαστε πόσα πράγματα περιλαμβάνονται στην όραση, σίγουρα είμαστε ευχαριστημένοι που μπορούμε και βλέπουμε.

Όσο θαυμαστά κι αν είναι τα μάτια μας, αυτά που είμαστε σε θέση να δούμε με γυμνό μάτι δεν είναι παρά ένα μέρος του τι θα μπορούσαμε να δούμε. Μέσω οπτικών οργάνων—από τον απλό μεγεθυντικό φακό ως τα τηλεσκόπια, τα μικροσκόπια, τις ειδικές φωτογραφικές μηχανές, τα φασματοσκόπια, και άλλα—η επιστήμη της οπτικής, όπως ονομάζεται η μελέτη του φωτός, έχει διευρύνει κατά πολύ τις γνώσεις μας για τον εαυτό μας και για τον κόσμο που μας περιβάλλει.

Παρ’ όλο που μερικά από αυτά τα οπτικά όργανα μπορεί να σας είναι γνωστά, ξέρετε πώς λειτουργούν; Γιατί, για παράδειγμα, ο μεγεθυντικός φακός μεγεθύνει; Τι είναι αυτό που κάνει ένα όργανο να φέρνει στην επιφάνεια τον κόσμο των μικροοργανισμών και κάποιο άλλο να καθιστά ορατό το αχανές σύμπαν; Η επιστήμη της οπτικής υπήρξε από παλιά ένα πεδίο έρευνας που κέντριζε το ενδιαφέρον.

Το Βασικό Στοιχείο

Χρησιμοποιήσατε ποτέ ένα μεγεθυντικό φακό χειρός για να κάνετε μια τρύπα σ’ ένα κομμάτι χαρτί, συγκεντρώνοντας πάνω σ’ αυτό μια δέσμη ακτίνων ηλιακού φωτός; Αυτό που κρατούσατε ήταν ένα οπτικό όργανο στην απλούστερη μορφή του—ένας φακός. Η μικρή κουκκίδα στο χαρτί ήταν στην πραγματικότητα ένα είδωλο του ήλιου το οποίο παρήγαγε ο απλός φακός που είχατε στο χέρι σας. Το ότι όλη η ενέργεια που υπήρχε σ’ αυτή τη δέσμη του ηλιακού φωτός συγκεντρώθηκε σ’ αυτή τη μικρή κουκκίδα προκάλεσε αρκετή θερμότητα για να καεί το χαρτί.

Ένας άλλος φακός, γνωστός σε πολλούς, είναι αυτός που βρίσκεται στο μπροστινό μέρος μιας φωτογραφικής μηχανής. Ίσως γνωρίζετε ότι αυτός ο φακός εστιάζει το φως που έρχεται από ένα αντικείμενο ώστε να σχηματιστεί πάνω στο φιλμ ένα είδωλο και να βγει έτσι μια φωτογραφία. Ουσιαστικά ένας φακός κάνει το εξής: Συγκεντρώνει το φως σχηματίζοντας ένα είδωλο κατάλληλου μεγέθους και έντασης, ώστε αυτό να είναι δυνατόν να παρατηρηθεί ή να αποτυπωθεί. Αλλά πώς προκαλεί ο φακός την κάμψη του φωτός και τη συγκέντρωση ή εστίασή του; Η απάντηση βρίσκεται στο οπτικό φαινόμενο που ονομάζεται διάθλαση.

Όταν βυθίζετε ένα ξύλο σε μια λίμνη, τι βλέπετε; Δεν μοιάζει να κάμπτεται το ξύλο στο σημείο που μπαίνει στο νερό; Αυτό το συνηθισμένο αλλά περίεργο γεγονός δείχνει παραστατικά ότι όταν μια δέσμη φωτός περνάει από κάποιο μέσο σε κάποιο άλλο, όπως από το νερό στον αέρα, η διάδοσή της δεν συνεχίζεται σε ευθεία γραμμή· κάμπτεται, με εξαίρεση την περίπτωση που πέφτει στη διαχωριστική επιφάνεια των δύο μέσων κάθετα. Αυτό οι επιστήμονες το ονομάζουν διάθλαση. Ο βαθμός διάθλασης του φωτός εξαρτάται από τα μέσα—αέρας, νερό, λάδι, γυαλί και άλλα—και από τη γωνία πρόσπτωσης, δηλαδή από τη γωνία που σχηματίζει η ακτίνα του φωτός και η κάθετος στο σημείο εισόδου.

Κοιτάξτε πάλι το φακό μιας φωτογραφικής μηχανής. Θα προσέξετε ότι η επιφάνεια του φακού δεν είναι επίπεδη, αλλά κυρτή. Τώρα φανταστείτε μια δέσμη φωτός η οποία πέφτει πάνω στο φακό από απόσταση. Στο κέντρο, το φως πέφτει κάθετα στην επιφάνεια του φακού· έτσι, τον διασχίζει σε ευθεία γραμμή χωρίς να σημειώνεται καθόλου διάθλαση. Η γωνία πρόσπτωσης γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη καθώς πλησιάζουμε στην άκρη του φακού. Αυτό σημαίνει ότι παράλληλα μεγαλώνει και η διάθλαση που προκαλεί ο φακός όσο πιο μακριά από το κέντρο χτυπάει το φως. Εξαιτίας αυτού, όλες οι ακτίνες που ξεκινούν από το ίδιο σημείο στη μια πλευρά ενός κατάλληλα διαμορφωμένου φακού συγκεντρώνονται ή εστιάζονται στην άλλη πλευρά για να σχηματίσουν ένα είδωλο.

Σχεδιασμός Οπτικού Συστήματος

Κάτι που περιπλέκει τα πράγματα, ωστόσο, είναι το γεγονός ότι όταν το φως είναι διαφορετικού χρώματος, ή μήκους κύματος, έχει και διαφορετικό βαθμό διάθλασης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένα πρίσμα αναλύει μια δέσμη ακτίνων ηλιακού φωτός στα επιμέρους χρώματά της, σχηματίζοντας ένα ουράνιο τόξο. Αυτό ακριβώς συμβαίνει και με τον απλό φακό· το είδωλο συνήθως έχει χρωματισμένες και, κατά συνέπεια, παραμορφωμένες άκρες.

Αυτό το πρόβλημα είναι δυνατό να υπερνικηθεί με προσεκτική σχεδίαση. Οι επιστήμονες ξέρουν για παράδειγμα ότι η χημική σύσταση του γυαλιού που χρησιμοποιείται σ’ ένα φακό θα μεταβάλλει τις διαθλαστικές του ιδιότητες. Δημιουργώντας ένα σύστημα φακών, το οποίο αποτελείται από διαφορετικά είδη γυαλιού και έχει διάφορους βαθμούς καμπυλότητας, ο σχεδιαστής μπορεί να περιορίσει την εκτροπή και την παραμόρφωση στο ελάχιστο.

Η σχεδίαση, όμως, ενός τέτοιου συστήματος δεν είναι κάτι απλό. Στο παρελθόν απασχολούσε πολλά άτομα τα οποία, επί εβδομάδες ή και μήνες, έκαναν επίπονους υπολογισμούς προκειμένου να ετοιμάσουν ένα σχέδιο. Σήμερα, χρησιμοποιούνται κομπιούτερ για να υπολογίσουν όλες τις πιθανές αποκλίσεις στις γωνίες των φωτεινών ακτίνων, τις αποστάσεις μεταξύ των φακών, την καμπυλότητα του κάθε φακού και μια πληθώρα άλλων παραγόντων. Ο κομπιούτερ είναι προγραμματισμένος να επιλέξει το συνδυασμό που θα έχει ως αποτέλεσμα ένα σύστημα με την υψηλότερη δυνατή ακρίβεια.

Ένας καλός φακός φωτογραφικής μηχανής μπορεί να αποτελείται από τέσσερα ως εφτά ή και περισσότερα επιμέρους στοιχεία, που έχουν ακρίβεια επιφάνειας λίγα δεκάκις χιλιοστά του χιλιοστόμετρου. Κάθε στοιχείο πρέπει να συναρμολογηθεί με ακρίβεια σε σχέση με τα υπόλοιπα. Προκειμένου να συλλαμβάνει τη μεγαλύτερη δυνατή ποσότητα φωτός, η διάμετρος κάθε στοιχείου πρέπει να είναι όσο πιο μεγάλη γίνεται από πρακτική άποψη. Το να γίνουν όλα αυτά συνεπάγεται πολλά έξοδα, κι αυτό εξηγεί γιατί οι φωτογραφικές μηχανές ακρίβειας κοστίζουν τόσο πολύ. Για παράδειγμα, μια από τις φωτογραφικές μηχανές που χρησιμοποιείται στο διαστημικό λεωφορείο μπορεί να φωτογραφίσει από το διάστημα λεπτομέρειες στη γη σε διάμετρο 10 μέτρων και από ύψος 240 και πλέον χιλιομέτρων. Αυτή η φωτογραφική μηχανή έχει ένα φακό που αποτελείται από οχτώ στοιχεία και κόστισε εννιά εκατομμύρια δολάρια (περ. 1,35 δισ. δρχ.)!

Βλέποντας τα Αόρατα

Φανταστείτε πόσα πράγματα περιλαμβάνονται στη σχεδίαση, στην κατασκευή και στον έλεγχο ενός οπτικού συστήματος το οποίο προορίζεται για ένα τηλεσκόπιο που θα μας επιτρέπει να διεισδύσουμε στο αχανές σύμπαν, το οποίο μας γεμίζει δέος. Τα απομακρυσμένα άστρα είναι τόσο αμυδρά ώστε τα περισσότερα από αυτά είναι αόρατα με γυμνό μάτι. Το τηλεσκόπιο συλλέγει από τα άστρα αυτά τη μεγαλύτερη δυνατή ποσότητα φωτός, κατόπιν την εστιάζει σ’ ένα σημείο και σχηματίζει μια ορατή εικόνα.

Τα περισσότερα οπτικά τηλεσκόπια χρησιμοποιούν κοίλο κάτοπτρο (καθρέφτη) για να συγκεντρώνουν τις αμυδρές ηλιακές ακτίνες. Το φημισμένο τηλεσκόπιο του Χέιλ στο βουνό Πάλομαρ, για παράδειγμα, διαθέτει ένα κάτοπτρο με διάμετρο 5 μέτρα, και μπορεί να εξερευνήσει το διάστημα σε μια απόσταση αρκετών δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Όσο κι αν μας προξενεί δέος, το τηλεσκόπιο του Χέιλ έχει επισκιαστεί τώρα από αυτό που βρίσκεται στην κορυφή Μάουνα Κέα, στη Χαβάη. Αυτό το τηλεσκόπιο διαθέτει ένα κάτοπτρο 10 μέτρων—με τετραπλάσια ικανότητα συγκέντρωσης φωτός από αυτή του τηλεσκόπιου στο Πάλομαρ. Αυτό στην πραγματικότητα είναι τόσο ισχυρό που «θα επέτρεπε σε κάποιον να δει το φως ενός και μόνο κεριού σε μια απόσταση από δω μέχρι τη σελήνη», είπε ο Χάουαρντ Κεκ, διευθυντής του ιδρύματος που δώρισε 70 εκατομμύρια δολάρια (περ. 10,5 δισ. δρχ.) για να υποστηρίξει το πρόγραμμα.

Επί αρκετό χρονικό διάστημα, τα μάτια των αστρονόμων ήταν στραμμένα σ’ ένα τηλεσκόπιο διαφορετικού είδους: στο αξίας 1.600.000.000 δολαρίων (περ. 240 δισ. δρχ.) Διαστημικό Τηλεσκόπιο του Χαμπλ. Αυτό εκτοξεύτηκε από το διαστημικό λεωφορείο και περιφέρεται γύρω από τη γη σε μια τροχιά ακτίνας 500 χιλιομέτρων μέσα στο διάστημα. Χωρίς την παρεμβολή της γήινης ατμόσφαιρας, έχει τόσο μεγάλη διακριτική ικανότητα που θεωρητικά η αναλυτική του ισχύς «ισοδυναμεί με το να ξεχωρίζει τον αριστερό προβολέα ενός αυτοκινήτου από το δεξιό από μια απόσταση 4.000 χιλιομέτρων», λέει το περιοδικό Ουρανός και Τηλεσκόπιο (Sky & Telescope). Για να επιτύχει τόσο υψηλό βαθμό ανάλυσης, η επιφάνεια του μετρίων διαστάσεων κατόπτρου, με διάμετρο 2,4 μέτρα, έπρεπε να είναι ακρίβειας πέντε εκατοντάκις χιλιοστών του χιλιοστόμετρου. Προς μεγάλη απογοήτευση όλων, ωστόσο, οι πρώτες εικόνες που έστειλε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο του Χαμπλ από το διάστημα ήταν θολές, πράγμα που προφανώς είναι αποτέλεσμα κατασκευαστικού λάθους. «Μέρος συνθετικού φιλμ, στο μέγεθος ενός κόκκου της άμμου», λέει μια έκθεση στο περιοδικό Νέος Επιστήμονας (New Scientist), «αποσπάστηκε από μια διορθωτική συσκευή στη διάρκεια της κατασκευής του πρωτεύοντος κατόπτρου του τηλεσκόπιου. Κατά συνέπεια, το κάτοπτρο βγήκε μετά τη διαδικασία στιλβώματος υπερβολικά επίπεδο». Σαφώς, ακόμη και η υψηλότερη μορφή υψηλής τεχνολογίας είναι τρωτή!

Από τη μακρινή παρατήρηση με τηλεσκόπιο μπορούμε να στραφούμε στην κοντινή παρατήρηση με μικροσκόπιο. Τα πρώτα μικροσκόπια δεν ήταν τίποτα περισσότερο από ένα μεγεθυντικό φακό. Από το 17ο αιώνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται σύνθετα μικροσκόπια, στα οποία η εικόνα που σχηματίζεται από τον ένα φακό μεγεθύνεται περαιτέρω από άλλον ένα φακό. Ο πρώτος φακός ονομάζεται συνήθως αντικειμενικός, επειδή είναι στραμμένος προς το υπό εξέταση αντικείμενο, και ο δεύτερος φακός ονομάζεται προσοφθάλμιο.

Για να κάνει τη δουλειά του το μικροσκόπιο, πρέπει να είναι σε θέση να συλλέξει όσο το δυνατόν περισσότερες ακτίνες φωτός από το μικροσκοπικό αντικείμενο. Για να γίνει αυτό, ο αντικειμενικός φακός διαμορφώνεται κάπως σαν ημισφαίριο, σαν την ομπρέλα του μανιταριού. Παρότι η διάμετρός του είναι μόνο ένα χιλιοστόμετρο, ή και λιγότερο, οι επιφάνειές του πρέπει να είναι ακρίβειας ενός χιλιοστού του χιλιοστόμετρου.

Είναι ενδιαφέρον ότι η ικανότητα να δει κανείς μικρά αντικείμενα δεν εξαρτάται τόσο πολύ από το όργανο όσο από το φως που χρησιμοποιείται για το φωτισμό του αντικειμένου. Όσο πιο μικρό είναι το υπό εξέταση αντικείμενο, τόσο πιο μικρό πρέπει να είναι και το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται για φωτισμό. Τα οπτικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν ορατό φως, και αυτό τα περιορίζει στο να βλέπουν αντικείμενα όχι μικρότερα από ένα δεκάκις χιλιοστό του χιλιοστόμετρου σε διάμετρο. Τα πρώτα μικροσκόπια έδωσαν τη δυνατότητα στους επιστήμονες να ανακαλύψουν ότι τα φυτά απαρτίζονται από αναρίθμητα κύτταρα—αυτό αποτέλεσε αποκάλυψη. Σήμερα, οι σπουδαστές βιολογίας μπορούν να εισχωρήσουν στο βασίλειο των βακτηρίων και των αιμοσφαιρίων χρησιμοποιώντας τα μικροσκόπια που υπάρχουν στην τάξη τους.

Για να δούμε ακόμη μικρότερα αντικείμενα, έχουμε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Όπως υποδηλώνεται και από το ίδιο το όνομά του, δέσμες ηλεκτρονίων μεγάλης ισχύος, αντί ορατού φωτός, κατευθύνονται προς αντικείμενα μικρότερα από ένα εκατομμυριοστό του χιλιοστόμετρου. Αυτό καθιστά ορατούς τους ιούς και τα μεγαλύτερα μόρια.

Τι θα πούμε για τη δομή του ατόμου και του πυρήνα του; Για να τα δουν αυτά, οι επιστήμονες πρέπει να «διαλύσουν» ένα άτομο και κατόπιν με ηλεκτρονικούς υπολογιστές να συνθέσουν την εικόνα του αποτελέσματος. Έτσι, κατά μια έννοια, τα μεγαλύτερα και ισχυρότερα «μικροσκόπια» είναι οι επιταχυντές σωματιδίων—το κύκλοτρο, το σύγχροτρο και άλλα—το μέγεθος μερικών από αυτά μετριέται σε χιλιόμετρα. Αυτά τα όργανα έδωσαν στους επιστήμονες μια εικόνα των μυστικών που κρύβονται πίσω από τις δυνάμεις που συγκρατούν το σύμπαν.

Το Θαύμα της Όρασης

Σε σύγκριση μ’ αυτά τα πολύπλοκα όργανα, θα μπορούσε να σκεφτεί κανείς ότι το ανθρώπινο μάτι είναι στ’ αλήθεια πρωτόγονο. Απλό, ίσως· πρωτόγονο, καθόλου! Το μάτι δεν προβληματίζεται με τα διαφορετικά χρώματα του φωτός. Το σύστημα αυτόματης εστίασης που διαθέτει είναι γρήγορο και αποτελεσματικό. Μπορεί να βλέπει σε τρεις διαστάσεις. Μπορεί να ανιχνεύει εκατομμύρια διαβαθμίσεις φωτός και αποχρώσεις χρωμάτων. Μπορεί να σχηματίζει και να καταγράφει μια καινούρια εικόνα κάθε δέκατο του δευτερολέπτου. Και ο κατάλογος συνεχίζεται. Τι αριστούργημα—το ανθρώπινο μάτι!

Πόσο ευγνώμονες είμαστε για την ικανότητα που έχουμε να βλέπουμε—με ή χωρίς τη βοήθεια οπτικών συσκευών! Η αυξημένη γνώση που έχουμε για πράγματα μεγάλα και μικρά, ορατά και αόρατα, έχει αποφέρει πολλά χειροπιαστά οφέλη. Αλλά πάνω απ’ όλα, το θαυμάσιο δώρο της όρασης, σε συνδυασμό με τα όσα μαθαίνουμε μέσα από την επιστήμη της οπτικής, θα πρέπει να μας βοηθήσει να διακρίνουμε τη σοφία και την αγάπη εκείνου που μας προμήθευσε αυτά τα πράγματα, του Δημιουργού, του Ιεχωβά Θεού.—Ψαλμός 148· Παροιμίαι 20:12.

[Εικόνες στη σελίδα 23]

Το θεαματικό νεφέλωμα του Ωρίωνα, 1.300 έτη φωτός μακριά

[Ευχαριστίες]

NASA photo

Ένθετο: Ένα από τα τηλεσκόπια στο Εθνικό Αστεροσκοπείο του Κιτ Πικ, Αριζόνα, Η.Π.Α.

[Εικόνες στη σελίδα 24]

Πάνω: Η βάση ενός λεπιού από φτερό σκόρου, μεγεθυσμένη από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο

Κάτω αριστερά: Σε μεγέθυνση 40.000 φορές, διακρίνονται πολύ περισσότερες λεπτομέρειες, οι οποίες αποκαλύπτουν παραστατικά το πολύπλοκο σχέδιο που υπάρχει στη δομή όλων των ζωντανών πραγμάτων.

[Ευχαριστίες]

Top and bottom left: Outdoor Pictures

Κάτω δεξιά: Το πρώτο σύνθετο μικροσκόπιο του Χουκ από τη «Μικρογραφία», του Ρόμπερτ Χουκ, 1665

[Ευχαριστίες]

Historical Pictures Service