Het zien van het onzichtbare — De wetenschap der optica
EEN schilderachtig landschap, een schitterende zonsondergang, een mooie bloem — allemaal prachtige dingen die een lust voor het oog zijn. Hoewel wij er zelden bij stilstaan wat er bij zien betrokken is, zijn wij beslist blij dat wij kunnen zien.
Hoe wonderbaarlijk het oog ook is, wat wij met het blote oog kunnen zien, is slechts een fractie van wat er te zien is. Door het gebruik van optische instrumenten — van het simpele vergrootglas tot telescopen, microscopen, speciale camera’s, spectroscopen, enzovoort — heeft de wetenschap der optica, zoals de studie van het licht wordt genoemd, onze kennis van onszelf en van de wereld om ons heen aanzienlijk vergroot.
U bent misschien bekend met enkele van deze optische instrumenten, maar weet u hoe ze werken? Hoe komt het bijvoorbeeld dat een vergrootglas vergroot? Waardoor maakt het ene instrument de wereld der micro-organismen zichtbaar en het andere het uitgestrekte uitspansel van het universum? De wetenschap der optica is al lang een intrigerend terrein van studie.
Het basiselement
Hebt u ooit met een vergrootglas een gaatje in een stuk papier gebrand door er een straal zonlicht op te concentreren? Wat u daar in uw hand had, was een optisch instrument in zijn eenvoudigste vorm — een lens. Dat kleine plekje op het papier was feitelijk een beeld van de zon, tot stand gekomen door de simpele lens in uw hand. Door alle energie in die straal zonlicht op één plekje te concentreren, werd dat zo heet dat het papier verbrandde.
Een andere lens waarmee velen bekend zijn, is die voor in een camera. Misschien weet u dat die het van een voorwerp afkomstige licht dusdanig focusseert dat er een beeld op de film ontstaat voor een te nemen foto. Dat is in wezen wat een lens doet. Ze brengt het licht samen zodat er een beeld van geschikte grootte en intensiteit ontstaat om waargenomen of vastgelegd te kunnen worden. Maar hoe komt het dat het licht door de lens wordt gebogen en samengebundeld of gefocusseerd? Het antwoord schuilt in een optisch verschijnsel dat men refractie noemt.
Als u een stok in een plas water steekt, wat ziet u dan? Lijkt de stok niet gebogen bij het punt waar hij het water ingaat? Dit algemene maar vreemde verschijnsel illustreert dat wanneer een lichtstraal van het ene medium in het andere overgaat, van water in lucht bijvoorbeeld, hij niet in een rechte lijn verdergaat; hij wordt gebroken, behalve wanneer hij het oppervlak loodrecht treft. Dat wordt in de wetenschap refractie of breking genoemd. De mate waarin het licht wordt gebroken, is afhankelijk van het medium — lucht, water, olie, glas, enzovoort — en de invalshoek, dat wil zeggen de hoek tussen de loodlijn op een vlak en de lichtstraal die het vlak treft.
Kijk nu nog eens naar de lens van een camera. U zult opmerken dat het oppervlak van de lens niet plat is maar gebogen zoals het oppervlak van een bol, ofte wel convex. Stelt u zich nu eens voor dat er van enige afstand een lichtstraal op valt. In het midden staat het licht loodrecht op het oppervlak van de lens en dus plant het zich rechtlijnig voort zonder dat er breking plaatsvindt. De invalshoek wordt naar de rand van de lens geleidelijk groter. Dit betekent dat de door de lens veroorzaakte breking ook groter is naarmate het licht de lens verder van het midden treft. Daardoor zullen alle stralen die uitgaan van hetzelfde punt aan één kant van een lens met de juiste vorm, aan de andere kant samenkomen of gefocusseerd worden en zo een beeld vormen.
Het ontwerpen van een optisch systeem
Wat de zaak echter gecompliceerder maakt, is dat licht van verschillende kleuren of golflengten in verschillende mate wordt gebroken. Daardoor komt het dat een prisma een bundel zonlicht ontleedt in zijn kleuren, zodat er een regenboog ontstaat. Dit is precies wat er bij een enkelvoudige lens gebeurt; het beeld heeft gewoonlijk gekleurde en dienovereenkomstig vervormde randen.
Dit probleem is te overwinnen door bij het ontwerpen zeer zorgvuldig te werk te gaan. Wetenschappers weten bijvoorbeeld dat door de chemische samenstelling van het glas dat voor een lens wordt gebruikt, haar brekingseigenschappen veranderen. Door een lenzenstelsel te scheppen dat van verschillende soorten glas gemaakt is en verschillende krommingen vertoont, kan een ontwerper aberratie (afwijkingen) en vervorming tot een minimum beperken.
Het ontwerpen van zo’n stelsel is echter niet eenvoudig. Er waren altijd veel mensen weken en maanden achtereen bezig met ingewikkelde berekeningen om een ontwerp tot stand te brengen. Tegenwoordig worden er computers gebruikt om alle mogelijke variaties in de hoeken van de lichtstralen, de afstanden tussen lenzen, de kromming van elke lens en een menigte andere factoren te berekenen. De computer wordt geprogrammeerd om de combinatie te kiezen die een stelsel van de grootst mogelijke precisie oplevert.
Een goede cameralens kan uit vier tot zeven, of meer, afzonderlijke elementen bestaan, met oppervlakken die tot op tienduizendsten van een millimeter nauwkeurig zijn. De onderlinge opstelling van de elementen is een zaak van grote precisie. Om zo veel mogelijk licht op te vangen, moet de diameter van elk element zo groot zijn als maar haalbaar is. Dat alles kost veel geld, wat verklaart waarom een precisiecamera zo duur is. Een van de camera’s bijvoorbeeld die op het ruimteveer worden gebruikt, kan van een afstand van ruim 240 kilometer in de ruimte details op aarde fotograferen die slechts een breedte van 10 meter hebben. Deze camera heeft een lens met acht elementen, en ze heeft negen miljoen dollar gekost!
Het zien van het onzichtbare
Stelt u zich eens voor wat er betrokken is bij het ontwerpen, maken en testen van een optisch systeem dat gebruikt zal worden in een telescoop die ons in staat zal stellen in ons uitgestrekte, ontzag inboezemende universum te turen. Verre sterren zijn zo zwak dat de meeste ervan onzichtbaar zijn voor het blote oog. Een telescoop zal zo veel mogelijk licht van deze verafgelegen sterren verzamelen, het concentreren in een gemeenschappelijk punt en een zichtbaar beeld vormen.
De meeste optische telescopen gebruiken een concave of holronde spiegel om de zwakke lichtstralen op te vangen. De beroemde Hale-telescoop op Mount Palomar bijvoorbeeld heeft een spiegel met een diameter van vijf meter en kan verscheidene miljarden lichtjaren ver de ruimte in kijken. Hoe ontzagwekkend de Hale-telescoop ook mag zijn, hij is nu overtroffen door een telescoop op de Mauna Kea op Hawaii. Die heeft een spiegel van tien meter — een viermaal zo grote licht-verzamelcapaciteit als de telescoop op de Palomar — en is in feite zo krachtig dat „je erdoor in staat bent het licht van een enkele kaars op maansafstand te zien”, vertelde Howard Keck, president van de stichting die 70 miljoen dollar schonk om het project te steunen.
De ogen van de astronomen zijn enige tijd op een ander soort telescoop gericht geweest: de 1600 miljoen dollar kostende HST (Hubble-ruimtetelescoop). Die is door het ruimteveer gelanceerd en cirkelt nu op 500 kilometer hoogte in een baan rond de aarde. Ongehinderd door de aardatmosfeer kan hij zo goed zien dat zijn scheidend vermogen in theorie „neerkomt op het onderscheiden van de linker- van de rechterkoplamp van een auto op een afstand van 4000 kilometer”, schrijft het blad Sky & Telescope. Om een dergelijk scheidend vermogen te bereiken, moest het oppervlak van zijn bescheiden 2,4 meter grote spiegel nauwkeurig zijn tot op vijf honderdduizendsten van een millimeter. Tot ieders grote teleurstelling waren de eerste beelden die de HST uit de ruimte terugzond echter wazig, kennelijk het gevolg van een fabricagefout. „Een fragment van een synthetische film ter grootte van een zandkorrel”, zegt een verslag in New Scientist, „brak van een kalibreerapparaat tijdens het maken van de primaire spiegel van de telescoop. Het gevolg was dat de spiegel te vlak werd geslepen.” Blijkbaar is zelfs de meest geavanceerde technologie kwetsbaar!
Laten wij nu in plaats van ver te zien met een telescoop, dichtbij gaan zien met een microscoop. De eerste microscopen waren niet meer dan een vergrootglas. Tegen de 17de eeuw kwamen er samengestelde microscopen in gebruik, waarbij het door de ene lens gevormde beeld verder vergroot werd door een andere lens. De eerste lens wordt meestal het objectief genoemd, omdat ze het dichtst bij het te bekijken object is gelegen, en de tweede lens het oculair.
Wil een microscoop zijn werk doen, dan moet hij zo veel mogelijk lichtstralen van een minuscuul object kunnen verzamelen. Met het oog daarop is de objectieflens enigszins als een halve bol gevormd, min of meer als de hoed van een paddestoel. Hoewel ze slechts een diameter heeft van hooguit een millimeter, moeten de oppervlakken tot op een duizendste van een millimeter nauwkeurig zijn.
Het is interessant dat het vermogen om kleine voorwerpen te zien, niet zozeer afhankelijk is van het instrument als wel van het licht dat gebruikt wordt om het object te verlichten. Hoe kleiner het object dat bekeken wordt, des te korter de golflengte van het verlichtende licht moet zijn. Bij lichtmicroscopen wordt gebruik gemaakt van zichtbaar licht, en dit beperkt ze tot het zien van objecten die niet kleiner zijn dan een tienduizendste millimeter in doorsnede. De eerste microscopen stelden geleerden in staat tot de ontdekking dat planten uit ontelbare cellen bestaan — een openbaring. Tegenwoordig kunnen biologiestudenten met behulp van de microscopen in hun klaslokaal in het rijk der bacteriën en bloedcellen turen.
Om nog kleinere voorwerpen te kunnen zien, hebben wij de elektronenmicroscoop. Zoals de naam te kennen geeft, worden er in plaats van zichtbaar licht hoog-energetische elektronenbundels op voorwerpen gericht die maar een miljoenste van een millimeter groot zijn. Daardoor kunnen virussen en grotere moleculen bekeken worden.
Hoe staat het met de structuur van het atoom of de atoomkern? Om daar een blik op te kunnen werpen, moeten wetenschappers een atoom „splijten” en dan computers gebruiken om een beeld van het resultaat te construeren. In zekere zin zijn de grootste en krachtigste „microscopen” dus de deeltjesversnellers — cyclotrons, synchrotons en andere — waarvan de grootte in sommige gevallen in kilometers wordt uitgedrukt. Deze instrumenten hebben geleerden een glimp gegund van de geheimen van de krachten die het universum bijeenhouden.
Het wonder van het gezichtsvermogen
Vergeleken bij deze gecompliceerde instrumenten zal het menselijk oog, zo zou iemand kunnen denken, wel erg primitief zijn. Eenvoudig misschien wel, maar primitief, dat zeker niet! Het oog heeft geen probleem met verschillende kleuren licht en het stelt zich automatisch in, snel en efficiënt. Het kan in drie dimensies zien. Het kan miljoenen lichtgradaties en tinten onderscheiden. Het kan elke tiende van een seconde een nieuw beeld creëren en opslaan. De lijst is nog veel langer. Wat een meesterstuk — het menselijk oog!
Wat dankbaar zijn wij voor het vermogen te zien — met of zonder het gebruik van optische instrumenten! De toegenomen kennis van grote en kleine dingen, zichtbare en onzichtbare, heeft veel tastbare voordelen afgeworpen. Maar de wonderbaarlijke gave van het gezichtsvermogen, gepaard aan wat wij dank zij de wetenschap der optica leren, moet ons bovenal helpen de wijsheid en liefde te zien van hem die deze dingen heeft verschaft, de Schepper, Jehovah God. — Psalm 148; Spreuken 20:12.
[Illustraties op blz. 23]
De spectaculaire Orionnevel, 1300 lichtjaren ver
[Verantwoording]
NASA photo
Inzet: Een van de telescopen van het Kitt Peak National Observatory in Arizona (VS)
[Illustraties op blz. 24]
Boven: Het steeltje van één enkele schub op de vleugel van een mot, vergroot door een elektronenmicroscoop
Links onder: Een vergroting van 40.000 maal verschaft nog meer details, illustratief voor het ingewikkelde ontwerp aanwezig in de structuur van al wat leeft
[Verantwoording]
Boven en links onder: Outdoor Pictures
Rechts onder: Vroege samengestelde microscoop vervaardigd door Hooke, „Micrographia”, Robert Hooke, 1665
[Verantwoording]
Historical Pictures Service