Optik – vetenskapen som gör det osynliga synligt
ETT naturskönt landskap, en strålande solnedgång, en vacker blomma — alltsammans vackra ting som det är en fröjd att betrakta. Även om vi inte så ofta ägnar en tanke åt synförmågan, är vi helt visst glada över att kunna se.
Visst är ögat underbart, men det vi kan se med blotta ögat är bara en bråkdel av vad som finns att se. Med hjälp av optiska instrument — från det enkla förstoringsglaset till teleskop, mikroskop, specialkameror, spektroskop osv. — har optiken, som läran om ljuset kallas, i hög grad utökat vår kunskap om oss själva och världen omkring oss.
Du kanske känner till några av dessa optiska instrument, men vet du hur de fungerar? Ett förstoringsglas, till exempel, varför förstorar det? Vad gör att ett visst instrument ger oss insyn i mikroorganismernas värld, medan man genom ett annat kan betrakta det väldiga och vidsträckta universum? Optiken har som vetenskap varit ett fängslande forskningsområde under lång tid.
Den grundläggande beståndsdelen
Har du någon gång hållit i ett förstoringsglas och bränt hål i en bit papper genom att fokusera solens strålar på det? Det du använde då var ett optiskt instrument i dess enklaste form — en lins. Den lilla punkten på papperet var i själva verket en avbild av solen som den enkla linsen i din hand frambringade. Genom att all energi i de solstrålar som passerade linsen koncentrerades till en liten punkt blev den het nog att bränna papperet.
En annan lins som många känner till är den som sitter framtill på kameror. Du kanske vet att den fokuserar ljuset från ett föremål till en bild på filmen och att det då uppstår ett fotografi. Det är vad en lins i själva verket gör. Den samlar ljuset till en bild i lämplig storlek och skärpa så att man kan betrakta och kanske fotografera den. Men hur får linsen ljuset att samlas eller fokuseras? Svaret ligger i ett optiskt fenomen som kallas refraktion.
Vad upptäcker du när du doppar en pinne i vatten? Förefaller inte pinnen böja sig vid vattenlinjen? Denna vanliga men egendomliga företeelse belyser att en ljusstråle som inte träffar gränslinjen i rät vinkel när den övergår från ett medium till ett annat, till exempel från vatten till luft, inte fortsätter i en rak linje, utan böjs. Detta är vad vetenskapsmän kallar refraktion. I vilken utsträckning ljuset bryts beror på medierna — luft, vatten, olja, glas osv. — och på infallsvinkeln, dvs. vinkeln mellan ljusstrålen och vertikalen vid infallspunkten.
Ta en titt på ett kameraobjektiv igen. Du märker att ytan på linsen inte är plan, utan böjd likt en sfär — den är konvex. Tänk dig nu att en ljusstråle från ett visst avstånd träffar den. I mitten är ljuset vinkelrätt mot linsens yta och passerar följaktligen rakt igenom utan att böjas. Längre ut mot linskanten blir infallsvinkeln gradvis större, vilket innebär att refraktionen som linsen ger upphov till blir större ju längre bort från mitten som ljuset träffar. Alla strålar som utgår från en viss punkt på ena sidan av en på rätt sätt formad lins samlas, eller fokuseras, till en bild på andra sidan.
Att konstruera ett optiskt system
Men för att göra det hela lite mera komplicerat bryts ljus med olika färg, eller våglängd, olika mycket. Det är därför ett prisma sprider en solstråle i dess färger och bildar en regnbåge. Det är precis vad som händer i en enkel lins: spegelbilden får färgade, och således förvanskade, ytterkanter.
Man kan komma till rätta med det problemet genom noggrann formgivning. Vetenskapsmän vet till exempel att olika kemiska beståndsdelar i en glaslins ändrar glasets ljusbrytningsegenskaper. Genom att konstruera ett linssystem bestående av linser av olika slags glas och med olika buktning kan konstruktören hålla avbildningsfel och förvrängningar på ett minimum.
Men det är inte lätt att konstruera ett sådant system. Det brukade ta flera personer veckor och månader av mödosamma beräkningar för att få fram en konstruktion. Numera använder man datorer för att beräkna ljusstrålarnas alla tänkbara vinklar mot glaset, avstånden mellan linserna, buktningen för varje lins och en mängd andra faktorer. Datorn är programmerad att välja ut den kombination som resulterar i ett system med högsta precision.
Ett bra kameraobjektiv kan bestå av mellan fyra och sju, eller fler, olika komponenter, vars ytor har en måttnoggrannhet på bara några tiotusendelar av en millimeter. Varje komponent måste fixeras på exakt rätt avstånd till de andra. För att fånga in så mycket ljus som möjligt bör vart och ett av elementen vara så stort som det alls är praktiskt möjligt. Allt detta är kostsamt och förklarar varför en bra kamera är så dyr. Med en av de kameror som används på rymdfärjan kan man från 240 kilometers avstånd ute i rymden fotografera detaljer på jorden som täcker ett område på 10 meter. I den kameran sitter ett objektiv med åtta element, och det kostade nio miljoner dollar!
Att se det osynliga
Föreställ dig vad det innebär att konstruera och prova ut ett optiskt system till ett teleskop som gör det möjligt för oss att blicka ut i det väldiga vördnadsbjudande universum. Ljuset från avlägsna stjärnor är så svagt att de flesta av dem är osynliga för blotta ögat. Ett teleskop fångar upp så mycket ljus som det alls är möjligt från dessa avlägsna stjärnor, fokuserar det på ett ställe och bildar en synlig bild.
I de flesta optiska teleskop fångas svaga ljusstrålar upp i en konkav spegel. Med det berömda Haleteleskopet på Mount Palomar, som har en spegel på fem meter i diameter, kan man se miljarder ljusår ut i rymden. Även om Haleteleskopet är jättelikt, överträffas det nu av ett annat på toppen av Mauna Kea på Hawaii. Det teleskopet har en spegel på 10 meter i diameter, som kan fånga upp fyra gånger så mycket ljus som teleskopet på Palomar. Det är så kraftigt att det ”gör det möjligt att se ett brinnande stearinljus på ett avstånd som härifrån till månen”, sade Howard Keck, ordförande i den stiftelse som donerade 70 miljoner dollar för att stödja projektet.
Astronomerna har en tid haft ögonen på ett annat slags teleskop — det 1.600 miljoner dollar dyra HST (Hubble Space Telescope). Det sändes upp med rymdfärjan och kretsar i en omloppsbana runt jorden på 500 kilometers höjd. Utan hinder från jordens atmosfär motsvarar dess upplösningsförmåga att kunna ”urskilja en bils vänstra och högra strålkastare på ett avstånd av 4.000 kilometer”, sägs det i tidskriften Sky & Telescope. En sådan upplösningsförmåga kräver att dess blygsamma spegel på 2,4 meters diameter måste ha en noggrannhet på fem hundratusendelar av en millimeter. Men till allas stora besvikelse var de första bilderna som HST sände tillbaka från rymden suddiga, uppenbarligen till följd av ett fel i tillverkningen. I New Scientist sägs det: ”Ett fragment av en syntetisk hinna, stort som ett sandkorn, orsakade att en justeringsanordning inte fungerade när man tillverkade teleskopets primärspegel. Till följd därav blev spegeln för plant slipad.” Av allt att döma är även det främsta av högteknologi ömtåligt!
Med teleskop kan man se långt bort i fjärran, och med ett mikroskop kan man betrakta det som finns på nära håll. Till en början var mikroskopen i stort sett bara förstoringsglas. På 1600-talet togs sammansatta mikroskop i bruk, i vilka den bild som framställdes i en lins förstorades ytterligare i en annan lins. Den främre linsen kallas vanligen objektiv därför att den är riktad mot det objekt eller föremål som man skall betrakta, medan den andra linsen kallas okular.
För att vara användbart måste ett mikroskop kunna fånga upp så mycket ljus som möjligt från ett litet föremål. Därför är objektivet halvsfäriskt, ungefär som hatten på en svamp. Även om objektivet bara är en millimeter eller mindre i diameter, måste noggrannheten vara på en tusendels millimeter.
Intressant nog är förmågan att se små föremål inte så mycket beroende på instrumentet som på ljuset som lyser upp föremålet. Ju mindre föremålet som skall betraktas är, desto kortare måste ljusets våglängd vara. I optiska mikroskop använder man synligt ljus, vilket gör att man med hjälp av dem inte kan se föremål som är mindre än tio tusendelar av en millimeter. Vetenskapsmän upptäckte med hjälp av tidiga mikroskop att växter består av otaliga celler — en verklig upptäckt. Numera kan de som studerar biologi skåda in i bakteriernas och blodkropparnas värld genom de mikroskop de har i sina klassrum.
Med hjälp av elektronmikroskopet kan man se ännu mindre föremål. I stället för att använda synligt ljus riktar man, som namnet antyder, strålar av högenergielektroner mot föremål så små som en miljondel av en millimeter. På så sätt kan man betrakta virus och större molekyler.
Hur är det då med atomens struktur eller dess kärna? För att få en glimt av dessa ting måste vetenskapsmän ”krossa” en atom och sedan med hjälp av datorer konstruera en bild av resultatet. Så på sätt och vis är de största och kraftigaste ”mikroskopen” partikelacceleratorerna — cyklotroner, synkrotroner och andra — vars storlek i vissa fall kan mätas i kilometer. Med hjälp av dessa instrument har vetenskapsmän fått en glimt av hemligheterna i de krafter som håller samman universum.
Den förunderliga synförmågan
I jämförelse med sådana komplicerade instrument kan det mänskliga ögat rentav framstå som primitivt. Enkelt, ja, kanske, men primitivt, absolut inte! Ögat har inga problem med skiftningar i färgen eller ljuset. Dess autofokussystem är snabbt och effektivt. Det kan se i tre dimensioner, upptäcka miljontals ljus- och färgnyanser och kan framkalla och registrera en ny bild tio gånger i sekunden. Listan kan göras ännu längre. Människoögat — vilket mästerverk är inte det!
Hur tacksamma är vi inte över att kunna se — med eller utan optiska anordningar! Den ökade insikten i det stora och det lilla, det synliga och det osynliga, har lett till många materiella fördelar. Men den underbara gåvan att kunna se, jämte det man kan lära av optiken som vetenskap, bör framför allt hjälpa oss att urskilja visheten och kärleken hos den som försett oss med allt detta, Skaparen, Jehova Gud. — Psalm 148; Ordspråksboken 20:12.
[Bilder på sidan 23]
Den praktfulla Orionnebulosan, 1.300 ljusår härifrån
[Bildkälla]
Foto: NASA
Infällt: Ett av teleskopen vid Kit Peak National Observatory i Arizona i USA
[Bilder på sidan 24]
Upptill: Basen på ett enda litet fjäll på en malvinge, förstorad i ett elektronmikroskop
Nere till vänster: Vid 40.000 gångers förstoring ser man ännu fler detaljer, vilket illustrerar hur invecklat alla levande ting är utformade och uppbyggda
[Bildkälla]
Överst och nere till vänster: Outdoor Pictures
Nere till höger: Hookes tidiga sammansatta mikroskop från ”Micrographia” av Robert Hooke, 1665
[Bildkälla]
Historical Pictures Service