Näkymättömän näkeminen optiikan avulla
LUONNONKAUNIS maisema, hehkuva auringonlasku, ihastuttava kukkanen – kauniita näkymiä, joiden katseleminen tuottaa iloa. Olemme hyvin iloisia siitä, että pystymme näkemään, vaikkemme usein pohdikaan sitä, mitä näkökykyymme sisältyy.
Ihmissilmän suurenmoisuudesta huolimatta emme kykene paljaalla silmällä näkemään kuin murto-osan nähtävissä olevista asioista. Käyttämällä optisia laitteita, joihin lukeutuvat yksinkertaisen suurennuslasin lisäksi esimerkiksi kaukoputket, mikroskoopit, erikoiskamerat ja spektroskoopit, optiikka eli valo-oppi on suuressa määrin lisännyt tietojamme itsestämme ja ympärillämme olevasta maailmasta.
Vaikka jotkut näistä optisista laitteista ehkä ovatkin sinulle tuttuja, tiedätkö, miten ne toimivat? Miksi esimerkiksi suurennuslasi suurentaa? Miksi pieneliöiden maailma avautuu jonkin laitteen avulla ja toinen taas tuo silmiemme eteen suunnattoman maailmankaikkeuden? Optiikka on pitkän aikaa ollut kiehtova tutkimusala.
Peruselementti
Oletko koskaan koonnut auringonsäteitä suurennuslasin avulla paperilla olevaan polttopisteeseen ja siten polttanut reikää tuohon paperiin? Tuo suurennuslasi oli optisen laitteen yksinkertaisin muoto – linssi. Paperille syntynyt pieni piste oli todellisuudessa kädessäsi olleen yksinkertaisen linssin avulla aikaansaatu kuva auringosta. Kun kaikki auringonsäteissä ollut energia keskitettiin yhteen pisteeseen paperilla, tuo kohta kuumeni siinä määrin, että se syttyi palamaan.
Kameran etupuolella oleva objektiivi on toinen monille tuttu linssi. Saatat tietää, että valokuvia otettaessa kohteesta tuleva valo tarkennetaan sen avulla kuvaksi filmille. Näin linssi pääasiassa toimii: se kokoaa valonsäteet muodostaen kooltaan ja kirkkaudeltaan sopivan kuvan siten, että tämä kuva voidaan havaita tai tallentaa. Mutta miten linssi taivuttaa ja kokoaa eli tarkentaa valonsäteet? Vastaus löytyy optisesta ilmiöstä, jota kutsutaan taittumiseksi.
Mitä voidaan nähdä, kun keppi upotetaan vesilammikkoon? Eikö näytäkin siltä, että keppi taipuu siitä kohdasta, josta se työntyy veteen? Tämä tavanomainen mutta erikoinen ilmiö valaisee sitä, ettei valonsäde kulje suoraviivaisesti siirtyessään väliaineesta toiseen, esimerkiksi vedestä ilmaan; se taittuu, paitsi silloin, kun se osuu kohtisuorassa kahden väliaineen rajapintaan. Tätä tiedemiehet kutsuvat taittumiseksi eli refraktioksi. Se, missä määrin valo taittuu, riippuu väliaineesta – esimerkiksi ilmasta, vedestä, öljystä ja lasista – ja valonsäteen tulokulmasta, jolla tarkoitetaan valonsäteen ja rajapintaan nähden kohtisuorassa olevan pystyviivan välistä kulmaa, kun ne kohtaavat rajapinnassa.
Katso jälleen kameran linssiä. Havaitset, ettei sen pinta ole tasainen vaan pallon tavoin kaareva eli kupera. Kuvittele nyt valonsädekimpun tulevan sitä kohti joltakin etäisyydeltä. Linssin keskipisteeseen valo tulee linssin pintaan nähden kohtisuorassa, joten valo jatkaa matkaansa taittumatta. Mitä lähemmäksi linssin reunoja valonsäteet osuvat, sitä suurempi on tulokulma. Tämä tarkoittaa sitä, että mitä kauemmaksi valonsäde osuu keskustasta, sitä jyrkemmin linssi taittaa sen. Tämän vuoksi kaikki oikeanmuotoisen linssin etupuolella olevasta pisteestä lähtevät säteet yhtyvät tai ne tarkennetaan linssin toisella puolella yhdeksi kuvapisteeksi.
Linssijärjestelmän suunnittelu
Asian mutkistamiseksi valon eri väreillä eli aallonpituuksilla on kuitenkin toisistaan poikkeava taitekerroin. Tämän vuoksi ilmassa olevat sadepisarat hajottavat auringonvalon eri väreiksi ja muodostavat sateenkaaren. Juuri tämä sama ilmiö syntyy myös yksinkertaisessa linssissä; kuvaan tulee tavallisesti värillisiä ja siten vääristyneitä ääriviivoja.
Ongelma voidaan voittaa huolellisella suunnittelulla. Tiedemiehet esimerkiksi tietävät, että linssissä käytetyn lasin kemiallinen koostumus vaikuttaa siihen, miten linssi taittaa valoa. Suunnittelija voi minimoida poikkeamat ja vääristymät yhdistelemällä linssejä, jotka on valmistettu eri lasityypeistä ja joiden pintojen kaarevuudet ovat erilaisia.
Sellaisen järjestelmän suunnitteleminen ei ole kuitenkaan helppoa. Sen aikaansaaminen vaati aiemmin monia ihmisiä suorittamaan suuritöisiä laskutoimituksia viikkojen tai kuukausien ajan. Nykyään käytetään tietokoneita laskemaan kaikki mahdolliset valonsäteiden kulmia, linssien välisiä etäisyyksiä, kunkin linssin kaarevuutta ja monia muita tekijöitä koskevat vaihtoehdot. Tietokone on ohjelmoitu siten, että se valitsee yhdistelmän, joka aikaansaa mahdollisimman suuren terävyyden.
Hyvässä kameran objektiivissa voi olla neljästä seitsemään yksittäistä elementtiä tai useampia, ja näiden elementtien pinnat on hiottu kymmenestuhannesosamillimetrin tarkkuudella. Jokaisen elementin pitää olla täsmällisesti oikeassa paikassa toisiin elementteihin nähden. Elementtien halkaisijoiden tulee olla niin suuria kuin käytännöllisesti on mahdollista, jotta ne voisivat vangita mahdollisimman paljon valoa. Kaikkien näiden seikkojen toteuttaminen on kallista, ja se selittää, miksi hyvin tarkat kamerat ovat niin kalliita. Esimerkiksi yksi avaruussukkulassa käytetyistä kameroista voi kuvata avaruudesta 240 kilometrin korkeudesta maan pinnalla olevia yksityiskohtia, joiden läpimitta on vain 10 metriä. Tässä kamerassa on kahdeksan elementtiä, ja se maksaa noin 35 miljoonaa markkaa.
Näkymättömän näkeminen
Kaukoputken avulla me voimme tunkeutua katseillamme suunnattomaan, kunnioitusta herättävään maailmankaikkeuteemme. Kuvittele, miten paljon vaaditaankaan työtä siinä käytettävän optisen järjestelmän suunnittelemisessa, aikaansaamisessa ja testaamisessa. Kaukaiset tähdet näkyvät niin heikosti, ettei useimpia niistä voi nähdä paljaalla silmällä. Kaukoputki kerää niin paljon valoa näistä etäisistä tähdistä kuin mahdollista, kokoaa ne yhteen pisteeseen ja muodostaa näkyvän kuvan.
Useimmissa optisissa kaukoputkissa käytetään koveraa peiliä heikkojen valonsäteiden keräämisessä. Esimerkiksi kuuluisan Palomarvuorella sijaitsevan Hale-teleskoopin peilin läpimitta on 5 metriä, ja tämän kaukoputken avulla voidaan tähyillä useiden miljardien valovuosien päähän. Havaijissa sijaitsevan Mauna Kea -nimisen tulivuoren huipulle sittemmin rakennettu kaukoputki on kuitenkin jättänyt varjoonsa Palomarvuoren kunnioitusta herättävän teleskoopin. Mauna Kean kaukoputken peilin läpimitta on 10 metriä, ja se kykenee keräämään neljä kertaa enemmän valoa kuin Palomarvuoren teleskooppi. Se on todellisuudessa niin tehokas, että ”sen avulla voidaan kynttilän liekki nähdä sellaiselta etäisyydeltä, joka vastaa kuun etäisyyttä maasta”, toteaa Howard Keck, joka on 70 miljoonaa dollaria tähän hankkeeseen lahjoittaneen säätiön puheenjohtaja.
Jo jonkin aikaa astronomien silmät ovat kohdistuneet toisentyyppiseen kaukoputkeen: 1,6 miljardia dollaria maksaneeseen Hubble-avaruusteleskooppiin. Avaruussukkula laukaisi sen 500 kilometrin päässä maasta olevalle radalleen avaruuteen. Koska näköhavaintoihin haitallisesti vaikuttava ilmakehä ei ole sen esteenä, sillä voidaan nähdä niin hyvin, että sen erotuskykyä voidaan ”rinnastaa auton vasemman ja oikean ajovalon havaitsemiseen 4000 kilometrin päästä”, sanoo Sky & Telescope -aikakauskirja. Tällaisen erotuskyvyn saavuttamiseksi teleskoopin peili, jonka vaatimaton läpimitta on 2,4 metriä, täytyi hioa viidessadastuhannesosamillimetrin tarkkuudella. Kuitenkin kaikkien suureksi pettymykseksi ensimmäiset tämän avaruusteleskoopin avaruudesta lähettämät kuvat olivat epäteräviä, mikä ilmeisesti johtui valmistusvirheestä. ”Pääpeilin valmistusvaiheessa kalibrointilaitteesta irtosi hiekanjyvän kokoinen synteettisen filmin palanen”, kerrotaan New Scientist -aikakauskirjassa. ”Tämän vuoksi linssin koveruus hiottiin liian pieneksi.” On ilmeistä, että huipputekniikkakin on altis vahingoille.
Siirtykäämme nyt kauas kaukoputkella katsomisesta lähelle mikroskoopilla katsomiseen. Varhaiset mikroskoopit olivat pelkkiä suurennuslaseja. 1600-luvulla tulivat käyttöön optiset mikroskoopit, joissa ensimmäisen linssijärjestelmän muodostama kuva suurennettiin edelleen toisen linssijärjestelmän avulla. Ensimmäistä linssijärjestelmää kutsutaan objektiiviksi, koska se on kohdistettu kohteeseen eli objektiin, ja toista okulaariksi.
Mikroskoopin täytyy kyetä keräämään pikkuriikkisestä kohteesta niin paljon valoa kuin mahdollista täyttääkseen tarkoituksensa. Jotta se toimisi näin, objektiivin linssi on tehty pallonpuolikkaan muotoiseksi, ja se muistuttaa suurin piirtein sienen lakkiosaa. Linssin pinta täytyy hioa tuhannesosamillimetrin tarkkuudella, vaikka sen läpimitta voi olla vain yksi millimetri tai vähemmän.
On mielenkiintoista, että pienen kohteen näkeminen ei riipu niinkään käytettävästä laitteesta kuin kohdetta valaisevasta valosta. Mitä pienempi on tarkasteltava kohde, sitä lyhyempi täytyy valaisemisessa käytettävän valon aallonpituuden olla. Optisissa mikroskoopeissa käytetään näkyvää valoa, minkä vuoksi pienimpien niillä havaittavien kohteiden läpimitta on 100 nanometriä (0,0001 mm). Varhaisilla mikroskoopeilla tiedemiehet kykenivät saamaan selville, että kasvit koostuvat lukemattomista soluista, mikä oli mullistava paljastus. Nykyään opiskelijat voivat tiirailla biologian tunnillaan bakteerien ja verisolujen maailmaan luokkahuoneissaan olevien mikroskooppien avulla.
Elektronimikroskoopin avulla voidaan nähdä vielä pienempiä kohteita. Kuten niiden nimi ilmaisee, näkyvän valon sijasta suurenergisten elektronien suihku suunnataan kohteisiin, joiden läpimitta voi olla vaikkapa vain 1 nanometri (0,000001 mm). Tällaisen suurennuksen avulla voidaan nähdä viruksia ja suurehkoja molekyylejä.
Mutta entä atomin tai sen ytimen rakenne? Voidakseen nähdä näitä hiukkasia tiedemiesten täytyy ”pirstoa” atomi ”kappaleiksi” ja käyttää sen jälkeen tietokoneita rekonstruoimaan kuva lopputuloksesta. Suurimpia ja tehokkaimpia ”mikroskooppeja” ovat siis tavallaan hiukkaskiihdyttimet – esimerkiksi syklotronit ja synkrotronit –, joista jotkut ovat kilometrien pituisia. Näiden laitteiden avulla tiedemiehet ovat nähneet vilauksen maailmankaikkeutta koossa pitävien voimien salaisuuksista.
Ihmeellinen näkökyky
Joku saattaisi pitää ihmissilmää hyvin alkeellisena verratessaan sitä näihin monimutkaisiin laitteisiin. Yksinkertainen se voi olla, mutta ei missään tapauksessa alkeellinen! Valon eri värit eivät tuota silmälle mitään ongelmaa. Sen automaattinen tarkennusjärjestelmä on nopea ja tehokas. Se voi nähdä kolmiulotteisesti. Se voi erottaa miljoonia valoisuusasteita ja värisävyjä. Se voi muodostaa ja tallentaa uuden kuvan kymmenesosasekunnin välein. Luettelo vaikuttaa loputtomalta. Ihmissilmä on todellinen mestariteos!
Olipa käytössämme optisia laitteita tai ei, me olemme todella kiitollisia näkökyvystämme! Pieniä ja suuria, näkyviä ja näkymättömiä asioita koskevan tietämyksen lisääntyminen on tuonut mukanaan monia kouriintuntuvia hyötyjä. Ihmeellisen näkökykymme ja optiikasta oppimiemme asioiden pitäisi kuitenkin ennen kaikkea auttaa meitä näkemään, kuinka viisas ja rakkaudellinen kaiken tämän antaja, Luoja, Jehova Jumala on. – Psalmi 148; Sananlaskut 20:12.
[Kuvat s. 23]
Vaikuttava Orionin tähtisumu, joka on 1300 valovuoden päässä
[Lähdemerkintä]
NASA photo
Pienempi kuva: eräs Arizonassa Kit Peakin kansallisessa observatoriossa sijaitseva teleskooppi
[Kuvat s. 24]
Ylempänä: koiperhosen siivessä olevan suomun tyviosa elektronimikroskoopilla suurennettuna
Alhaalla vasemmalla: samasta vielä yksityiskohtaisempi, 40000-kertainen suurennos, joka valaisee kaikkien elävien olentojen rakenteessa olevaa monimutkaisuutta
[Lähdemerkintä]
Yllä ja alhaalla vasemmalla: Outdoor Pictures
Alhaalla oikealla: Robert Hooken ”Micrographia”-teoksessa (v. 1665) oleva kuva Hooken monilinssisestä mikroskoopista
[Lähdemerkintä]
Historical Pictures Service