Zobaczyć niewidoczne — dzięki optyce

MALOWNICZY krajobraz, wspaniały zachód słońca, śliczny kwiat — wszystko to urzeka nas swym pięknem i raduje oczy. Choć rzadko się zastanawiamy, na czym polega zdolność widzenia, niewątpliwie cieszymy się, że ją posiadamy.

Oko to cudowny narząd, ale gdy nie jest uzbrojone, możemy nim zobaczyć tylko cząstkę tego, co w ogóle da się ujrzeć. Dzięki przyrządom optycznym — od zwykłej lupy po teleskopy, mikroskopy, specjalne aparaty fotograficzne, spektroskopy i tak dalej — optyka, czyli nauka o świetle, ogromnie poszerzyła naszą wiedzę o nas samych i otaczającym nas świecie.

Być może znasz niektóre z tych przyrządów, ale czy wiesz, jak działają? Na przykład dlaczego lupa powiększa? Dlaczego jeden instrument pozwala wejrzeć w świat mikroorganizmów, a inny w bezmiar wszechświata? Optyka już od dawna intrygowała wielu badaczy.

Podstawowy element

Czy próbowałeś kiedyś wypalić dziurę w kawałku papieru, skupiając na nim promienie słoneczne za pomocą lupy? Posłużyłeś się do tego najprostszym przyrządem optycznym — soczewką. Trzymając ją w ręce utworzyłeś na papierze małą plamkę, która w rzeczywistości była obrazem słońca. Skoncentrowanie całej energii snopu światła słonecznego w jednej małej plamce spowodowało wzrost temperatury wystarczający do zapalenia papieru.

Inna soczewka znana wielu ludziom znajduje się w obiektywie aparatu fotograficznego. Być może wiesz, że skupia ona światło docierające do jakiegoś przedmiotu, dzięki czemu na błonie filmowej powstaje jego obraz, rejestrowany na zdjęciu. Zasadnicza właściwość soczewki polega na tym, że skupia światło, tworząc obraz na tyle duży i jasny, iż można go obserwować i utrwalić. Ale dlaczego soczewka załamuje i skupia promienie? Ma to związek ze zjawiskiem optycznym zwanym refrakcją.

Co widzisz, gdy zanurzysz kij w wodzie? Czy nie wydaje się złamany w miejscu, w którym wchodzi do wody? To zwyczajne, choć dziwne zjawisko ilustruje, że promień świetlny przechodzący z jednego ośrodka do drugiego, na przykład z wody do powietrza, nie biegnie po linii prostej, lecz się załamuje — chyba że pada prostopadle do granicy ośrodków. Właśnie to uczeni nazywają refrakcją. Stopień załamania światła zależy od rodzaju ośrodka (powietrze, woda, olej, szkło i tak dalej) oraz od kąta padania, to jest kąta między promieniem świetlnym a prostą prostopadłą do granicy ośrodków w punkcie przejścia promienia.

Przypatrz się jeszcze raz obiektywowi aparatu fotograficznego. Zauważysz, że jego soczewka nie jest płaska, lecz wypukła. Wyobraź sobie teraz, że z pewnej odległości dociera do niej snop światła. Na środek soczewki pada prostopadle, a zatem przechodzi prosto, nie załamując się. Ale im bliżej brzegu, tym większy jest zarówno kąt padania, jak i załamania światła. Dlatego w prawidłowo ukształtowanej soczewce wszystkie promienie wychodzące z pewnego punktu po jednej stronie zejdą się, czyli skupią po drugiej stronie i utworzą obraz.

Projektowanie układu optycznego

Sprawę komplikuje jednak fakt, że światło o różnej barwie, to znaczy długości fali, różnie się załamuje. Właśnie dlatego pryzmat rozszczepia wiązkę światła słonecznego na barwy składowe, takie jak w tęczy. Z tym samym zjawiskiem mamy do czynienia w pojedynczej soczewce, która zazwyczaj daje obraz otoczony barwnymi, zniekształcającymi obwódkami.

Z problemem tym można się uporać dzięki starannemu projektowaniu. Naukowcy wiedzą na przykład, że własności załamujące soczewki zależą od składu chemicznego szkła użytego do jej produkcji. Konstruując układ soczewek zrobionych z różnych rodzajów szkła i mających różne krzywizny, projektant może zmniejszyć do minimum najróżniejsze zniekształcenia.

Niemniej jednak zaprojektowanie takiego układu nie jest proste. Dawniej wymagało całych tygodni, a nawet miesięcy żmudnych obliczeń, angażujących wiele ludzi. Dziś do wyliczenia wszelkich możliwych zmian kątów padania promieni słonecznych, odległości między soczewkami, krzywizny każdej z nich oraz mnóstwa innych szczegółów używa się komputerów. Ich program pozwala na takie dobranie parametrów, by otrzymany układ dawał jak najwierniejszy obraz.

Dobry obiektyw fotograficzny składa się z czterech do siedmiu, niekiedy i więcej pojedynczych soczewek o powierzchniach wykonanych z dokładnością do dziesięciotysięcznych części milimetra. Muszą one być bardzo precyzyjnie zamontowane w stosunku do siebie. Aby wpadało przez nie jak najwięcej światła, każda powinna mieć na tyle dużą średnicę, na ile tylko pozwalają względy praktyczne. Wszystko to kosztuje i dlatego precyzyjny aparat fotograficzny jest tak drogi. Na przykład jedna z kamer używanych na promach kosmicznych, potrafiąca z wysokości ponad 240 kilometrów fotografować na Ziemi szczegóły wielkości 10 metrów, ma obiektyw zbudowany z 8 elementów i kosztuje 9 milionów dolarów.

Zobaczyć niewidoczne

Spróbuj sobie wyobrazić, jak skomplikowane jest zaprojektowanie, wykonanie i wypróbowanie układu optycznego dla teleskopu, dzięki któremu możemy oglądać nasz bezkresny, zdumiewający wszechświat. Dalekie gwiazdy świecą tak słabo, że większości z nich nie da się dostrzec gołym okiem. Teleskop zbiera możliwie najwięcej docierającego od nich światła, skupia je w jednym miejscu i tworzy widzialny obraz.

W większości teleskopów optycznych te ledwie uchwytne promienie świetlne zbiera zwierciadło wklęsłe. Na przykład słynny teleskop Hale’a na Mount Palomar ma zwierciadło o średnicy 5 metrów i pozwala dostrzec obiekty odległe o kilka miliardów lat świetlnych. Wprawdzie jest to imponujące osiągnięcie, lecz usunął je w cień teleskop z obserwatorium na szczycie góry Mauna Kea na Hawajach. Ma on dziesięciometrowe zwierciadło i zbiera czterokrotnie więcej światła niż ten na Mount Palomar. Jest tak potężny, że „można by za jego pomocą zobaczyć płomyk świecy na Księżycu”, powiedział Howard Keck, prezes fundacji, która przekazała na budowę tego giganta 70 milionów dolarów.

Od pewnego czasu astronomowie z nadzieją spoglądali na inny instrument: kosmiczny teleskop Hubble’a, który kosztował 1,6 miliarda dolarów. Umieszczony na orbicie za pomocą wahadłowca, okrąża Ziemię na wysokości 500 kilometrów. Ponieważ nie przeszkadza mu atmosfera ziemska, jego zdolność rozdzielcza powinna być teoretycznie tak dobra, że — jak napisano w miesięczniku Sky & Telescope — „umożliwiłaby odróżnienie lewego reflektora samochodu od prawego z odległości 4000 kilometrów”. Dla osiągnięcia takiej rozdzielczości powierzchnia jego stosunkowo niedużego zwierciadła o średnicy 2,4 metra musiała być sporządzona z dokładnością do pięciu stutysięcznych milimetra. Jednakże ku wielkiemu rozczarowaniu wszystkich zainteresowanych pierwsze obrazy przesłane z kosmosu przez teleskop Hubble’a były rozmazane, najwyraźniej wskutek wadliwego wykonania. Według New Scientist „podczas konstruowania głównego zwierciadła teleskopu od przyrządu kalibrującego oderwał się fragment błony syntetycznej o rozmiarach ziarnka piasku. W rezultacie zwierciadło zostało wyszlifowane zbyt płasko”. Jak widać, nawet najnowocześniejsza technika jest zawodna.

Teleskop pozwala dojrzeć to, co odległe, natomiast temu, co bliskie, możemy się przyglądać za pomocą mikroskopu. Pierwszymi mikroskopami były po prostu zwykłe szkła powiększające. W XVII wieku zaczęto się posługiwać mikroskopami złożonymi, w których obraz utworzony przez jedną soczewkę był jeszcze bardziej powiększany przez drugą. Pierwszą nazywa się zwykle obiektywem, ponieważ jest skierowana bezpośrednio na oglądany obiekt, druga to okular.

Aby mikroskop mógł spełnić swą rolę, musi być w stanie zebrać możliwie najwięcej światła docierającego od bardzo małego przedmiotu. W tym celu soczewce obiektywu nadaje się kształt półsfery, przypominający trochę kapelusz grzyba. Choć ma ona średnicę zaledwie milimetra lub nawet mniejszą, jej powierzchnie muszą być wykonane z dokładnością do tysiącznej części milimetra.

Co ciekawe, możliwość oglądania małych przedmiotów zależy nie tyle od przyrządu, ile od światła użytego do ich oświetlenia. Im mniejszy przedmiot chcemy obejrzeć, tym krótsze muszą być fale oświetlającego go światła. Mikroskopy optyczne wykorzystują światło widzialne, co ogranicza wielkość obiektów dających się przez nie zobaczyć do jednej dziesięciotysięcznej milimetra. Pierwsze mikroskopy umożliwiły naukowcom rewelacyjne odkrycie, że rośliny składają się z niezliczonej ilości komórek. Dziś na lekcjach biologii uczniowie mogą przez szkolne mikroskopy zaglądać do świata bakterii i krwinek.

Do oglądania jeszcze mniejszych obiektów służą mikroskopy elektronowe. Jak sama nazwa wskazuje, zamiast światła widzialnego wykorzystują one wiązki przyśpieszonych elektronów, skierowanych na obiekty wielkości zaledwie milionowej części milimetra. Pozwala to ujrzeć wirusy, jak też co większe molekuły.

A czy można zobaczyć jak zbudowany jest atom lub jego jądro? W tym celu naukowcy muszą „rozbić” atom, a następnie za pomocą komputerów odtworzyć jego obraz. Dlatego największymi i najpotężniejszymi „mikroskopami” są w pewnym sensie akceleratory cząsteczek — cyklotrony, synchrotrony i inne — których wielkość mierzy się niekiedy w kilometrach. Dzięki tym przyrządom naukowcy mogli uchylić rąbka tajemnicy sił spajających wszechświat.

Cud widzenia

W porównaniu z tymi skomplikowanymi urządzeniami oko ludzkie mogłoby się komuś wydawać prymitywne. Może jest ono proste, ale w żadnym wypadku nie prymitywne! Nie ma najmniejszego kłopotu z rozróżnianiem barw światła. Posiada automatyczny układ ogniskujący, który działa szybko i skutecznie. Wyposażone jest w zdolność widzenia trójwymiarowego. Rozpoznaje miliony stopni jasności i odcieni barw. Potrafi utworzyć i zarejestrować nowy obraz co jedną dziesiątą sekundy. A tę listę możliwości można by jeszcze wydłużać. Oko ludzkie to prawdziwe arcydzieło!

Jakże wdzięczni jesteśmy za zdolność widzenia — bez względu na to, czy posługujemy się przyrządami optycznymi, czy też nie! Rozwój wiedzy o rzeczach wielkich i małych, widocznych i niewidocznych przynosi nam mnóstwo namacalnych korzyści. Ale co najważniejsze, cudowny dar widzenia oraz informacje zdobyte dzięki optyce powinny nam pomóc dostrzec mądrość i miłość Dawcy tego wszystkiego — Stwórcy, Jehowy Boga (Psalm 148; Przysłów 20:12).

[Ilustracje na stronie 23]

Efektowna mgławica Oriona odległa o 1300 lat świetlnych

[Prawa własności]

Zdjęcie: NASA

Wstawka: Jeden z teleskopów Państwowego Obserwatorium Kit Peak w Arizonie

[Ilustracje na stronie 24]

U góry: Łuska ze skrzydła ćmy powiększona przez mikroskop elektronowy

Na dole po lewej: Powiększenie 40 000 razy ukazuje jeszcze więcej szczegółów oraz kunsztowną konstrukcję, charakterystyczną dla wszystkich żywych organizmów

[Prawa własności]

U góry i na dole po lewej: Outdoor Pictures

Na dole po prawej: Mikroskop Hooke’a — rycina z pracy Roberta Hooke’a „Micrographia” z 1665 roku

[Prawa własności]

Historical Pictures Service