Görünmeyeni Görmek—Optik Bilimi

ŞAHANE bir kır manzarası, parlak bir güneş batışı veya harika bir çiçek—tüm bunları seyretmek bir zevktir. Gerçi görme olayının neleri kapsadığı üzerinde pek düşünmeyiz, fakat görme yeteneğine sahip olduğumuz için muhakkak mutluyuz.

Gözümüz hayret verici olmasına karşın, çıplak gözle görebildiklerimiz, görülecek şeylerin ancak çok küçük bir kısmıdır. Basit bir büyüteç, teleskop, mikroskop, özel kamera veya spektroskop gibi optik gereçlerin yardımıyla ışığın incelenmesini konu alan optik bilimi, bizim bizzat kendimiz ve çevremizdeki dünya hakkında bilgimizi büyük oranda artırmıştır.

Bu optik gereçleri görmüş ya da duymuş olabilirsiniz, fakat acaba nasıl çalıştıklarını biliyor musunuz? Örneğin bir büyüteç neden büyük gösterir? Bir cihazın mikroorganizmalar dünyasını büyütmesini ya da bir başkasının evrenin büyüklüğünü gözler önüne sermesini hangi şey mümkün kılar? Optik bilimi, bu yüzden uzun zamandan beri merak uyandıran bir inceleme alanı olmuştur.

Temel Öğe

Acaba bir büyüteçle güneş ışınını odaklayarak bir kağıt parçasını yakıp üstünde bir delik açmayı hiç denediniz mi? Bunu optik bir gereç olan basit bir mercek yardımıyla yaptınız. Kağıt üzerindeki o küçük yanık izi, aslında güneşin elinizdeki bu basit mercek tarafından oluşturulan görüntüsüdür. Güneş ışınındaki tüm enerji, bu nokta üzerinde yoğunlaşıp kağıdı yakacak kadar ısıtır.

Birçok kişinin bildiği başka bir mercek ise, bir fotoğraf makinasının önünde bulunan objektiftir. Bu merceğin, resmi çekilen cisimden gelen ışığı odaklayarak film üzerinde bir görüntü oluşmasını sağladığını belki biliyorsunuz. Temelde bir merceğin yaptığı da budur, yani gözlenebilmesi veya kaydedilebilmesi için uygun büyüklük ve yoğunlukta bir görüntü oluşturmak üzere ışığı toplar. Acaba mercek ışığın bükülerek bir araya getirilmesini ya da odaklanmasını nasıl sağlar? Bunun cevabı, kırılma olarak adlandırılan optik bir olaydadır.

Bir sopayı suya daldırdığınızda ne görürsünüz? Sopa, suya girdiği noktadan itibaren biraz bükülmüş gibi görünür, değil mi? Genelde bilinen fakat garip gelen bu olay, ışığın, bir ortamdan bir diğerine—örneğin sudan havaya—geçerken düz bir çizgi olarak devam etmediğini gösterir. Işık yüzeye dik vurmadıkça böyle bir bükülme yapar. Bilim adamları bu olayı kırılma olarak adlandırır. Işığın kırılma miktarı ortama—bu, hava, su, yağ, cam v.b. olabilir—ve ışığın geliş açısına, yani gelen ışının, yeni ortama girdiği noktada düşeyle yaptığı açıya bağlıdır.

Bir fotoğraf makinasının objektifine tekrar bir göz atın. Objektifin yüzeyinin düz değil, bir kürenin yüzeyi gibi bombeli, yani dışbükey olduğunu fark edeceksiniz. Varsayalım, belli bir uzaklıktan bir ışık ışını objektife doğru geliyor. Işık, merkezde objektifin yüzeyine dik düşer; böylece kırılma olmadan içinden geçer. Geliş açısı, objektifin kenarına doğru daha da büyür. Bu demektir ki, ışık merkezden ne kadar uzağa düşerse, objektifin yarattığı kırılma da o denli artar. Bu nedenle, uygun biçimli bir merceğin bir yanındaki belirli bir noktadan çıkan tüm ışınlar, merceğin diğer yanında bir araya gelerek, yani odaklanarak, bir görüntü oluştururlar.

Optik Bir Sistemin Tasarımı

Işığın değişik renklerinin, yani dalga boylarının, değişik açılarla kırılması konuyu daha da karmaşık hale getirebilir. Bir prizmanın, güneşten gelen bir ışını gökkuşağı gibi renklerine ayırmasının nedeni budur. Basit bir mercekte de aynen bu olay olur; görüntünün kenarları genellikle renklidir ve bu da netliği bozar.

Dikkatli bir tasarımla bu sorun giderilebilir. Örneğin, bilim adamları, mercek için kullanılan camın kimyasal bileşiminin, merceğin ışığı kırma özelliğini değiştirdiğini bilmektedirler. Değişik yüzey eğrilikleri olan ve farklı türlerdeki camlardan yapılmış mercekleri bir araya getirerek, netliğin bozulması ve odaklanmama sorunları en aza indirilir.

Fakat böyle bir sistemin tasarımını yapmak kolay değildir. Bir zamanlar bu tür bir tasarımı yapmak için birçok kişinin haftalar, hatta aylar boyunca çok emek talep eden hesaplamalar yapması gerekiyordu. Bugün ise, gelen ışık ışınlarının tüm olası açılarını, mercekler arası uzaklıkları, her bir merceğin yüzey eğriliğini ve başka birçok faktörü hesaplayan bilgisayarlar kullanılmaktadır. Bu bilgisayarlar, en yüksek netliği veren bileşimi seçmek üzere programlanmışlardır.

İyi bir fotoğraf makinesi objektifinde, dört ile yedi adet veya daha fazla sayıda farklı mercek bulunur. Her bir merceğin yüzeyi, milimetrenin onbinde birine kadar bir hassasiyete sahiptir. Merceklerin her birinin bir diğerine göre yerleştirilmesi büyük hassasiyetle yapılmalıdır. Merceklerin çapları, mümkün olduğu kadar çok ışık girmesi açısından, pratiğin elverdiği ölçüde geniş olmalıdır. Tüm bunların maliyeti yüksektir ve hassas bir fotoğraf makinasının pahalı olmasının nedeni budur. Örneğin, uzay mekiğinde kullanılan fotoğraf makinalarından bir tanesi, yeryüzündeki 10 metreye kadar olan ayrıntıları, uzayda 240 km yukarıdan görüntüleyebilmektedir. Bu fotoğraf makinasının sekiz mercekten oluşan bir objektifi vardır ve maliyeti dokuz milyon dolardır!

Görünmeyeni Görmek

Sonsuz ve korku uyandıran evrenimizi gözlemleyebilmemizi sağlayan bir teleskopta kullanılacak optik sistemin tasarlanması, yapılması ve denenmesi için nelerin gerektiğini bir düşünün. Çok uzaklardaki yıldızların ışığı o kadar sönüktür ki, çıplak gözle görülmeleri imkânsızdır. Bir teleskop, bu uzak yıldızlardan mümkün olduğunca çok ışık toplar, bir noktada odaklar ve gözle görülebilen bir görüntü meydana getirir.

Optik teleskopların çoğunda, zayıf ışık ışınlarını toplamak için içbükey bir ayna kullanılır. Örneğin, Palomar Dağında bulunan ünlü Hale (heyl okunur) teleskopunun, 5 metre çapında bir aynası vardır ve milyarlarca ışık yılı ötesine bakabilir. Hale teleskopu bu kadar görkemli olmasına rağmen, şimdi Hawaii’nin Mauna Kea tepesindeki başka bir teleskop onu gölgede bırakıyor. Buradaki teleskop, 10 metre çapındaki aynasıyla, Palomar’daki teleskoptan dört kez daha fazla ışık toplama kapasitesine sahiptir. Gerçekten o kadar güçlüdür ki, onunla ilgili projeyi desteklemek üzere 70 milyon dolar bağışlayan vakfın başkanı olan Howard Keck, şunları söylemiştir: “Bu teleskopla, ay kadar uzak bir yere konmuş bir mumun ışığını bile görmek mümkün olacaktır.”

Uzun süredir astronomların gözü, Hubble Uzay Teleskopu (HST) olarak adlandırılan 1,6 milyar dolarlık başka bir tür teleskop üzerindeydi. Uzay mekiği tarafından fırlatılan bu teleskop, uzayda, dünyadan 500 km uzaklıktaki yörüngesinde dönmektedir. Dünyanın atmosferi engel teşkil etmediğinden bu teleskop o kadar iyi görür ki, Sky & Telescope dergisine göre, onun ayırt etme gücü, teorik olarak “bir arabanın sağ ve sol farlarını, 4,000 km uzaklıktan birbirinden ayırmaya eşdeğerdedir.” Böyle bir hassasiyet derecesine sahip olması için, teleskopun 2.4 metrelik mütevazı aynasının yüzeyi, bir milimetrenin beş yüz binde biri ölçüsünde pürüzsüz olmalıdır. Fakat herkesi büyük hayal kırıklığına uğratırcasına, HST’nin uzaydan gönderdiği ilk fotoğraflar, herhalde bir imalat hatası yüzünden bulanıktı. New Scientist’de çıkan bir habere göre, “teleskopun birincil aynasının (cisimden gelen ışığı ilk alan ayna) yapımı sırasında, bir kum tanesi büyüklüğündeki sentetik bir film parçacığı bir ayar cihazından koptu. Bunun sonucu olarak, ayna gereğinden fazla taşlanarak düzleştirildi.” Görülüyor ki, en üstün teknoloji bile güçsüz kalabilmektedir.

Teleskopla uzaklara bakmayı bir kenara bırakıp, biraz da mikroskopla yakını görelim. Kullanılan ilk mikroskoplar, bir büyüteçten başka bir şey değildi. 17. yüzyılda, bir mercek tarafından büyütülen görüntünün başka bir mercekle bir kez daha büyütüldüğü bileşik mikroskoplar kullanılmaya başladı. Gözlenecek objeye (cisme) doğru yöneltildiği için birinci mercek genellikle objektif, ikinci mercek ise, oküler (ışığı göze veren mercek) olarak adlandırılmaktadır.

Bir mikroskobun işlevini yapabilmesi için, minik bir cisimden mümkün olduğu kadar çok ışık ışını alması gereklidir. Bunun için objektif olan merceğe, mantar başına ya da yarım küreye benzer bir şekil verilmiştir. Çapı yaklaşık bir milimetre ya da daha az olmasına rağmen, yüzeyinin hassasiyeti, milimetrenin binde biri kadar olmalıdır.

İlginçtir ki, küçük cisimleri görebilmek, eldeki cihazdan çok bu cismi aydınlatmak için kullanılan ışığa bağlıdır. Gözlenecek cisim ne kadar küçükse, aydınlatma ışığının dalga boyu da o kadar küçük olmalıdır. Optik mikroskoplar, görünür ışığı kullanır, bu nedenle büyüklüğü bir milimetrenin on binde birinden daha küçük cisimleri gösteremez. Bilim adamları yapılan ilk mikroskoplar vasıtasıyla, bitkilerin sayısız hücrelerden ibaret olduğunu keşfettiler; bu bir devrimdi. Bugün ise, biyoloji öğrencileri, sınıflarındaki mikroskopları kullanarak bakteriler ve kan hücrelerinin dünyasına merakla göz atabilirler.

Daha da küçük cisimler görmek için, elektron mikroskopları vardır. Adından da anlaşıldığı gibi, bu mikroskoplarda, milimetrenin milyonda biri büyüklüğünde cisimlere, görünür ışık yerine yüksek-enerjili elektron ışınları yöneltilir. Bu, virüslerin ve daha büyük moleküllerin görülebilmesini sağlar.

Peki, atomun yapısı veya çekirdeği için ne denilebilir? Bu gibi şeylere bakabilmek için, bilim adamları bir atomu önce “parçala”yıp sonra bilgisayarlar bunun sonucunu resimlemektedirler. Böylece, en büyük ve en güçlü “mikroskoplar” bir bakıma, boyları kilometrelerle ölçülen siklotron veya sinkrotron gibi birer tanecik hızlandırıcısıdırlar. Bilim adamları, bu cihazlar vasıtasıyla evreni bir arada tutan güçleri algılayabilme fırsatına sahipler.

Harika Yeteneğimiz—Görme

Bu karmaşık cihazlarla karşılaştırıldığında, bir kimse, insan gözünün çok ilkel olduğunu düşünebilir. Basit olabilir, fakat ilkel asla! Gözün ışığın değişik renkleriyle ilgili hiç sorunu yoktur. Otomatik odaklama sistemi hızlı ve etkindir. Üç boyutlu görür. Işıktaki milyonlarca renk tonu ve değişimini algılayabilir. Saniyenin onda birinde yeni bir görüntü oluşturup bunu kaydedebilir. Bu liste böyle uzar gider—evet, insan gözü gerçek bir şaheserdir!

Bir optik cihaz yardımıyla olsun ya da olmasın, görme yeteneğimiz olduğu için çok minnettarız, değil mi? İrili ufaklı ve görünür ya da görünmez şeylerle ilgili artan bilgi, birçok somut yararlar sağlamıştır. Fakat her şeyden önemlisi, bizdeki harika görme vergisi ile optik bilimi vasıtasıyla öğrendiklerimiz, bu şeyleri sağlayan Yaratıcı Yehova Tanrı’daki hikmet ve sevgiyi görmemize yardım etmelidir.—Mezmurlar 148; Süleymanın Meselleri 20:12.

[Sayfa 23’teki resimler]

1,300 ışık yılı uzaklıktaki görkemli Oriyon nebulası

Resim içi: ABD’nin Arizona eyaletindeki Kit Peak Ulusal Rasathanesinde bulunan teleskoplardan biri

[Sayfa 24’teki resimler]

Üstte: Bir güvenin kanadının, elektron mikroskobuyla büyütülmüş tek bir pulunun kökü

Altta solda: 40,000 kez büyütüldüğünde, yaşayan tüm canlıların yapısında varolan karmaşık tasarımla ilgili daha çok ayrıntı görülmektedir.

Altta sağda: Robert Hooke’un 1665’te yazdığı “Micrographia” adlı eserinden—yaptığı ilk bileşik mikroskop