ทัศนศาสตร์การเห็นสิ่งที่มองไม่เห็น
ทัศนียภาพอันงดงาม อาทิตย์อัสดงอันแพรวพราว บุปผชาติงามน่ารัก—เหล่านี้ล้วนแต่เป็นสิ่งสวยงามซึ่งมองแล้วชื่นตาชื่นใจ. แม้ว่าเราไม่ค่อยจะได้คิดเท่าใดนักถึงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการมองเห็น แต่แน่นอน เรารู้สึกยินดีที่สามารถมองเห็นได้.
แม้นัยน์ตาเป็นสิ่งน่ามหัศจรรย์เพียงไรก็ตาม แต่สิ่งที่เราสามารถมองเห็นได้ด้วยตาโดยไม่มีเครื่องช่วยนั้นเป็นเพียงเศษเสี้ยวของสิ่งที่มีให้เห็น. โดยการใช้ทัศนูปกรณ์ต่าง ๆ—ตั้งแต่แว่นขยายแบบธรรมดาไปจนถึงกล้องโทรทรรศน์, กล้องจุลทรรศน์, กล้องถ่ายรูปแบบพิเศษ, กล้องวิเคราะห์แสง, และอื่น ๆ—ทัศนศาสตร์ ซึ่งเป็นชื่อเรียกการศึกษาเกี่ยวกับแสง ได้เพิ่มพูนความรู้เกี่ยวด้วยตัวเราเองและโลกที่อยู่รอบตัวเราอย่างมากมายมหาศาล.
ถึงคุณอาจจะคุ้นกับทัศนูปกรณ์เหล่านั้นบางอย่างก็ตาม คุณทราบวิธีที่อุปกรณ์เหล่านั้นทำงานไหม? ตัวอย่างเช่น ทำไมแว่นขยายจึงขยายภาพ? อะไรที่ทำให้ทัศนูปกรณ์อย่างหนึ่งทำให้โลกของจุลินทรีย์ปรากฏให้เห็นและทัศนูปกรณ์อีกอย่างหนึ่งทำให้มองเห็นเอกภพอันกว้างใหญ่ไพศาล? ทัศนศาสตร์เป็นสาขาวิชาที่ดึงดูดใจมาเป็นเวลานานแล้ว.
องค์ประกอบพื้นฐาน
คุณเคยใช้แว่นขยายแบบมือถือเพื่อทำให้กระดาษไหม้เป็นรูโดยให้ลำแสงอาทิตย์ส่องผ่านแว่นขยายไปลงบนแผ่นกระดาษไหม? สิ่งที่คุณมีอยู่นั้นเป็นทัศนูปกรณ์แบบธรรมดาที่สุด—เลนส์ชิ้นเดียว. จุดเล็ก ๆ บนแผ่นกระดาษนั้นที่จริงแล้วเป็นภาพของดวงอาทิตย์ซึ่งถูกทำให้เกิดขึ้นด้วยเลนส์ธรรมดา ๆ ที่คุณถือในมือนั่นเอง. การรวมพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในลำแสงอาทิตย์ให้เป็นจุดเล็ก ๆ จุดเดียวนั้นทำให้มีความร้อนเพียงพอจะเผากระดาษได้.
เลนส์อีกชนิดหนึ่งซึ่งคนส่วนใหญ่คุ้นเคยดีคือเลนส์ที่อยู่ส่วนหน้าของกล้องถ่ายรูป. คุณอาจทราบว่าเลนส์นั้นรวมแสงที่สะท้อนจากวัตถุเข้ามาเพื่อสร้างภาพบนฟิล์มแล้วกล้องจะถ่ายภาพเก็บไว้ได้. โดยพื้นฐานแล้ว นี่คือสิ่งที่เลนส์ทำ. เลนส์รวมแสงเข้ามาเพื่อสร้างภาพที่มีขนาดและความเข้มพอเหมาะเพื่อว่าจะมองเห็นหรือบันทึกภาพนั้นไว้ได้. แต่เลนส์ทำให้แสงหักเหและรวมแสงเข้าด้วยกัน หรือโฟกัส (รวมที่จุดเดียว) อย่างไร? คำตอบเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ของแสงที่เรียกว่าการหักเหของแสง.
เมื่อคุณจุ่มไม้ท่อนหนึ่งลงในสระน้ำคุณมองเห็นอะไร? ดูเหมือนว่าไม้ท่อนนั้นงอตรงจุดที่มันจมเข้าไปในน้ำใช่ไหม? เหตุการณ์ธรรมดา ๆ แต่น่าประหลาดนี้แสดงว่าเมื่อแสงผ่านจากตัวกลางอย่างหนึ่งสู่อีกอย่างหนึ่ง เช่นจากน้ำสู่อากาศ แสงจะไม่เดินต่อไปเป็นเส้นตรง แสงนั้นจะหักเห นอกเสียจากเมื่อแสงกระทบเส้นแบ่งระหว่างตัวกลางนั้นในแนวตั้งฉาก. นี่คือสิ่งที่พวกนักวิทยาศาสตร์เรียกว่าการหักเหของแสง. ระดับการหักเหของแสงขึ้นอยู่กับตัวกลางว่าเป็นอะไร—อากาศ, น้ำ, น้ำมัน, แก้ว, และอื่น ๆ.—และขึ้นอยู่กับขนาดของมุมตกกระทบ คือมุมระหว่างลำแสงกับแนวตั้งฉาก ณ จุดที่แสงผ่านเข้าตัวกลาง.
มาดูที่เลนส์กล้องถ่ายรูปอีกครั้ง. คุณจะสังเกตเห็นว่าผิวหน้าของเลนส์ไม่เรียบแต่โค้งหรือนูนราวกับผิวลูกทรงกลม. ตอนนี้ลองนึกภาพลำแสงส่องมายังเสนส์จากระยะไกล. ณ จุดศูนย์กลาง แสงตั้งฉากกับผิวเลนส์ ดังนั้น แสงจึงผ่านตรงเข้าไปโดยไม่มีการหักเหเกิดขึ้น. เมื่อแสงกระทบผิวเลนส์ไล่ออกไปทางขอบเลนส์ มุมที่แสงกระทบนั้นจะค่อย ๆ หักเหตามไป. นั่นหมายความว่าการหักเหของแสงจะมากขึ้นตามระยะที่ห่างจากจุดศูนย์กลางที่แสงกระทบเลนส์. เนื่องจากเหตุนี้ ทุกลำแสงที่มาจากจุดเดียวกัน ณ ข้างหนึ่งของเลนส์ซึ่งมีรูปทรงถูกลักษณะก็จะมารวมกัน หรือถูกโฟกัส ณ อีกข้างหนึ่งของเลนส์เพื่อสร้างภาพขึ้น.
การออกแบบระบบเลนส์รับแสง
อย่างไรก็ตาม ที่ทำให้เรื่องยุ่งยากซับซ้อนคือแสงสีต่าง ๆ กัน หรือความยาวคลื่นต่างกัน จะหักเหในระดับต่าง ๆ กัน. นั่นเป็นเหตุที่ปริซึมกระจายแสงอาทิตย์ออกมาในสีต่าง ๆ ที่ประกอบเป็นรุ้ง. นี่ก็คือสิ่งที่ต้องเกิดขึ้นอย่างแน่นอนกับเลนส์แบบธรรมดา ๆ ภาพมักมีสีตรงขอบ ซึ่งบิดเบือนไปจากภาพจริง.
ปัญหานี้สามารถเอาชนะได้โดยการออกแบบเลนส์อย่างประณีต. ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าส่วนผสมทางเคมีของแก้วที่ใช้ในการทำเลนส์จะเปลี่ยนคุณสมบัติในการหักเหแสงของมัน. โดยการสร้างระบบเลนส์ซึ่งประกอบด้วยแก้วต่างชนิดกันและมีความโค้งต่างกัน ผู้ออกแบบสามารถทำให้ความคลาดเคลื่อนและความบิดเบือนมีน้อยที่สุด.
แต่การออกแบบระบบดังกล่าวไม่ใช่เรื่องง่าย. การออกแบบนั้นได้ดึงเอาหลายคนเข้ามาเกี่ยวข้องในการดำเนินงานคิดคำนวณเป็นเวลาหลายสัปดาห์และหลายเดือนเพื่อให้ได้แบบนั้นขึ้นมา. ปัจจุบัน มีการใช้คอมพิวเตอร์เพื่อคำนวณความผันแปรที่อาจเป็นไปได้ทุกอย่างในเรื่องมุมของลำแสง, ระยะห่างระหว่างเลนส์, ความโค้งของเลนส์แต่ละชิ้น, และปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมาย. คอมพิวเตอร์ถูกกำหนดให้เลือกองค์ประกอบที่เมื่อประมวลผลแล้วจะได้ระบบที่มีความเที่ยงตรงที่สุด.
เลนส์ที่ดีของกล้องถ่ายรูปอาจประกอบกันขึ้นตั้งแต่สี่ถึงเจ็ดชิ้นหรือมากกว่านั้น พร้อมด้วยผิวหน้าเลนส์ที่แม่นยำถึงหนึ่งในหมื่นมิลลิเมตร. แต่ละชิ้นต้องติดตั้งในตำแหน่งที่ถูกต้องสัมพันธ์กับชิ้นอื่น ๆ. เพื่อจะรับแสงให้มากที่สุดเท่าที่เป็นได้ เส้นผ่าศูนย์กลางของแต่ละชิ้นควรใหญ่เท่าที่จะทำได้. การทำสิ่งเหล่านี้ต้องเสียค่าใช้จ่ายแพง และนี่ทำให้เข้าใจได้ว่าทำไมกล้องถ่ายรูปที่แม่นยำจึงมีราคาแพงมาก. ตัวอย่างเช่น กล้องถ่ายรูปที่ใช้บนกระสวยอวกาศสามารถถ่ายภาพรายละเอียดบนผิวโลกในพื้นที่กว้าง 10 เมตร จากระยะสูงขึ้นไปในอวกาศถึง 240 กิโลเมตร. กล้องถ่ายรูปนี้มีเลนส์ประกอบกันแปดชิ้น และมีราคาสูงถึง 225 ล้านบาท!
การเห็นสิ่งที่มองไม่เห็น
ลองนึกดูถึงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ, การผลิต, และการทดสอบระบบการมองเพื่อใช้ในกล้องโทรทรรศน์ซึ่งทำให้เราสามารถมองออกไปในเอกภพอันมหึมาน่าเกรงขาม. ดวงดาวที่อยู่ไกลลิบลับเลือนรางมากจนส่วนใหญ่จะมองเห็นไม่ได้ด้วยตาเปล่า. กล้องโทรทรรศน์จะรวมแสงจากดวงดาวที่อยู่แสนไกลเหล่านั้นเข้ามาให้มากที่สุด รวมแสงนั้นเข้าไว้ในจุดเดียว และสร้างภาพที่มองเห็นได้.
กล้องโทรทรรศน์ส่วนใหญ่ใช้กระจกเว้าเพื่อรวบรวมลำแสงที่เลือนรางเข้ามา. ยกตัวอย่าง กล้องโทรทรรศน์เฮลอันมีชื่อเสียงบนยอดเขาพาโลมาร์มีกระจกซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางถึง 5 เมตร และสามารถมองออกไปไกลถึงหลายพันล้านปีแสง. แต่ถึงจะน่าเกรงขามเพียงไรก็ตาม บัดนี้ กล้องโทรทรรศน์เฮลได้ถูกบดบังโดยกล้องที่อยู่บนยอดเมานา เคอา ของฮาวาย. กล้องนี้มีกระจกที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาด 10 เมตร—ซึ่งประสิทธิภาพการรวมแสงมากเป็นสี่เท่าของกล้องโทรทรรศน์บนยอดเขาพาโลมาร์. ที่จริง กล้องนี้มีพลังสูงมากซึ่ง “จะทำให้คนเรามองเห็นแสงของเทียนไขเล่มเดียวจากระยะห่างของดวงจันทร์เลยทีเดียว” เป็นคำกล่าวของโฮเวิร์ด เคค ประธานมูลนิธิซึ่งบริจาคเงิน 1,750 ล้านบาทเพื่อสนับสนุนโครงการนี้.
ช่วงระยะเวลาหนึ่ง นัยน์ตาของนักดาราศาสตร์เคยจ้องมองยังกล้องโทรทรรศน์ต่างชนิดออกไป: กล้องเอชเอสที (ฮับเบิล สเปซ เทเลสโคป) มูลค่า 40,000 ล้านบาท. นำขึ้นไปโดยกระสวยอวกาศ มันโคจรรอบโลกในวงโคจรซึ่งห่างออกไปในอวกาศถึง 500 กิโลเมตร. โดยปราศจากการขัดขวางจากชั้นบรรยากาศของโลก กล้องนี้สามารถมองเห็นได้ดีจนตามทฤษฎี พลังแยกแยะส่วนละเอียดของมัน “พอ ๆ กับการแยกแยะดวงไฟหน้ารถซ้ายขวาออกจากกันในระยะห่างถึง 4,000 กิโลเมตร” เป็นคำกล่าวของนิตยสารสกาย&เทเลสโคป. เพื่อบรรลุถึงระดับการมองเห็นชัดเจนเช่นนี้ ผิวหน้าของกระจกที่ไม่ใหญ่โตนักขนาด 2.4 เมตรของกล้องนี้จำต้องมีความเที่ยงตรงสูงถึงหนึ่งในห้าแสนมิลลิเมตร. แต่เป็นที่น่าผิดหวังอย่างยิ่งแก่ทุกคน ภาพแรกที่เอชเอสทีส่งกลับมาจากอวกาศนั้นมัว เห็นได้ชัดว่าสืบเนื่องจากความบกพร่องในการผลิต. รายงานข่าวในนิว ไซเยนติสท์กล่าวว่า “เศษของแผ่นฟิล์มสังเคราะห์ขนาดเท่าเม็ดทรายหลุดออกจากอุปกรณ์กำหนดขนาดในระหว่างการทำกระจกชิ้นหน้าของกล้องโทรทรรศน์นี้. ผลก็คือกระจกถูกฝนแบนเกินไป.” จึงปรากฏชัดว่าแม้กระทั่งเทคโนโลยีขั้นสูงที่สุดก็ยังมีจุดอ่อน!
จากการมองในระยะไกลด้วยกล้องโทรทรรศน์ เราอาจหันมามองในระยะใกล้ด้วยกล้องจุลทรรศน์. แรกเริ่มเดิมทีนั้นกล้องจุลทรรศน์ไม่ดีไปกว่าแว่นขยาย. แต่ในศตวรรษที่ 17 ได้มีการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบมีเลนส์หลายชิ้น ซึ่งภาพที่เห็นโดยเลนส์อันหนึ่งจะถูกขยายใหญ่ขึ้นโดยเลนส์อีกอันหนึ่ง. เลนส์อันแรกมักเรียกกันว่าเลนส์ใกล้วัตถุ (objective) เพราะเลนส์อันนี้อยู่ตรงวัตถุที่จะดู และเลนส์อันที่สองคือ เลนส์ใกล้ตา.
เพื่อที่กล้องจุลทรรศน์ทำงานได้ กล้องต้องสามารถรวมลำแสงให้ได้มากเท่าที่จะเป็นได้จากวัตถุกระจิริด. เพื่อจะทำเช่นนั้น เลนส์ใกล้วัตถุจึงถูกทำให้เป็นรูปเหมือนกับครึ่งทรงกลม คล้ายกับหมวกของเห็ด. แม้จะมีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียงหนึ่งมิลลิเมตรหรือน้อยกว่านั้น ผิวหน้าของมันก็ต้องแม่นยำถึงหนึ่งในหนึ่งพันของหนึ่งมิลลิเมตรทีเดียว.
เป็นที่น่าสนใจ ความสามารถที่จะมองเห็นวัตถุขนาดจิ๋วขึ้นอยู่กับแสงที่ใช้ในการให้ความสว่างแก่วัตถุที่จะมองดูนั้นมากกว่าขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่ใช้มอง. วัตถุที่จะดูยิ่งเล็กเท่าใด ความยาวคลื่นของแสงที่ให้ความสว่างก็ต้องยิ่งสั้นเท่านั้น. กล้องจุลทรรศน์ทั่วไปใช้แสงธรรมดาที่มองเห็นได้ และนี้จึงจำกัดให้มองวัตถุที่ไม่เล็กเกินกว่าหนึ่งในหมื่นของหนึ่งมิลลิเมตรตามแนวขวาง. กล้องจุลทรรศน์รุ่นแรก ๆ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าพวกพืชประกอบด้วยเซลล์จำนวนนับไม่ถ้วน—เป็นการเปิดเผยที่น่าทึ่ง. แต่ปัจจุบัน นักศึกษาด้านชีววิทยาสามารถมองเห็นเข้าไปในอาณาจักรของแบคทีเรียและเซลล์เม็ดเลือดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ในห้องเรียนของเขา.
เพื่อจะมองเห็นวัตถุเล็กกว่านั้นอีก เราก็มีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน. ดังที่ชื่อบ่งบอกไว้ มีการใช้ลำอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีพลังสูงแทนลำแสงธรรมดาส่องตรงวัตถุที่เล็กถึงหนึ่งในหนึ่งล้านของหนึ่งมิลลิเมตร. ทำให้มองเห็นไวรัสและโมเลกุลใหญ่ขึ้น.
จะว่าอย่างไรเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมหรือนิวเคลียสของมัน? เพื่อจะมองเห็นสิ่งเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จำต้องทำให้อะตอม “แตกกระจาย” แล้วจึงใช้คอมพิวเตอร์สร้างภาพของผลที่เกิดขึ้น. ดังนั้น ในแง่หนึ่ง “กล้องจุลทรรศน์” ที่ใหญ่ที่สุดและทรงพลังที่สุดคือเครื่องเร่งความเร็วของอนุภาค—ไซโคลตรอน, ซินโครตรอน, และอื่น ๆ นั่นเอง—ซึ่งความยาวของบางเครื่องวัดได้หลายกิโลเมตรเลยทีเดียว. เครื่องมือเหล่านี้ทำให้พวกนักวิทยาศาสตร์มองเห็นเพียงรำไรเกี่ยวกับความลับแห่งพลังที่ยึดเอกภพเอาไว้ด้วยกัน.
ความมหัศจรรย์แห่งการมองเห็น
เมื่อเทียบกับเครื่องมืออันสลับซับซ้อนเหล่านั้นแล้ว บางคนอาจคิดว่าตาของมนุษย์คงจะเป็นสิ่งโบราณล้าสมัยไปเลยทีเดียว. บางทีอาจเรียบง่าย แต่จะโบราณ หามิได้เลย! ดวงตาไม่มีปัญหาในเรื่องสีของแสงที่แตกต่างกัน. ระบบปรับระยะชัดโดยอัตโนมัติของดวงตาเป็นไปอย่างรวดเร็วและทรงประสิทธิภาพ. ดวงตาสามารถเห็นได้ในสามมิติ. สามารถสังเกตระดับการเปลี่ยนแปลงของแสงและความเข้มหรือความจางของสีได้เป็นล้านระดับ. สามารถสร้างสรรค์และบันทึกภาพใหม่ ๆ ได้ทุกหนึ่งในสิบของวินาที. รายการสิ่งต่าง ๆ นั้นมีไม่รู้จบ. ดวงตามนุษย์—ผลงานชิ้นเยี่ยมจริง ๆ!
เรารู้สึกขอบคุณเพียงไรสำหรับความสามารถในการเห็น—ทั้งที่ใช้หรือไม่ได้ใช้เครื่องมือทางทัศนศาสตร์! ความรู้ที่เพิ่มมากขึ้นเกี่ยวกับสิ่งต่าง ๆ ทั้งใหญ่และเล็ก ทั้งที่มองเห็นได้และมองไม่เห็น ได้ก่อผลประโยชน์หลายอย่างที่เห็นได้. แต่เหนือสิ่งใดทั้งหมด ของประทานแห่งการมองเห็น ควบคู่ไปกับสิ่งที่ได้เรียนรู้โดยทางทัศนศาสตร์ น่าจะช่วยเราให้มองเห็นสติปัญญาและความรักของพระองค์ผู้ซึ่งได้ทรงจัดให้มีสิ่งเหล่านี้ขึ้นมา พระผู้สร้าง พระเจ้ายะโฮวา.—บทเพลงสรรเสริญ 148; สุภาษิต 20:12.
[รูปภาพหน้า 25]
ภาพอันงดงามของเนบิวลาดาวนายพราน (ดาวไถ) อยู่ห่างออกไป 1,300 ปีแสง
[ที่มาของภาพ]
NASA photo
ภาพแทรก: กล้องโทรทรรศน์อันหนึ่งที่หอดูดาวแห่งชาติ คิท พีก, อาริโซนา สหรัฐ
[รูปภาพหน้า 26]
ภาพบน: ฐานของขนปีกผีเสื้อ ขยายโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ภาพล่างซ้าย: เมื่อขยาย 40,000 เท่าจะเห็นรายละเอียดเพิ่มขึ้นอีกแสดงถึงการออกแบบที่ละเอียดในทุกสิ่ง ที่มีชีวิต.
[ที่มาของภาพ]
Top and bottom left: Outdoor Pictures
ภาพล่างขวา: กล้องจุลทรรศน์ที่มีเลนส์สองระบบของฮุค จาก “ไมโครกราเฟีย” โดย โรเบิร์ต ฮุค 1665
[ที่มาของภาพ]
Historical Pictures Service