Optikk — vitenskapen som gjør det usynlige synlig
ET NATURSKJØNT landskap, en strålende solnedgang, en vakker blomst — slike vakre syn er til stor glede for oss. Selv om vi sjelden tenker over hva det å se egentlig innebærer, er vi virkelig glade for at vi kan se.
Øyet er fantastisk, men likevel er det bare en liten del av alt som er å se, vi kan observere med det blotte øye. Gjennom optiske instrumenter — fra et vanlig forstørrelsesglass til teleskoper, mikroskoper, spesialkameraer, spektroskoper og så videre — har optikk, som læren om lys og syn blir kalt, i høy grad økt vår kunnskap om oss selv og verden omkring oss.
Du kjenner kanskje til noen av disse optiske instrumentene, men vet du hvordan de virker? Hvorfor forstørrer for eksempel et forstørrelsesglass? Hva gjør at ett instrument kan gi oss innsyn i mikroorganismenes verden, mens et annet lar oss se utover i universet? Optikk har lenge vært et spennende forskningsområde.
Grunnleggende faktorer
Har du noen gang brukt et vanlig forstørrelsesglass til å fokusere solstråler med og brenne hull i et stykke papir? Da brukte du et optisk instrument av enkleste type — en linse. Det lille punktet på papiret var faktisk et bilde av solen som ble laget av den enkle linsen du holdt i hånden. Fordi all energien i solstrålene ble konsentrert på et lite punkt, ble det varmt nok til at papiret kunne ta fyr.
En annen linse som mange kjenner til, er den som er foran på et kamera. Du vet kanskje at den fokuserer lyset fra et objekt slik at det dannes et bilde på filmen, og at man får et fotografi. Kort sagt gjør en linse følgende: Den samler lyset slik at det dannes et bilde som er stort og klart nok til at det kan ses eller bevares. Men hvordan får linsen lyset til å bli bøyd, samlet og fokusert? Svaret ligger i et optisk fenomen som kalles refraksjon eller brytning.
Hva ser du når du stikker en kjepp ned i vannet? Ser det ikke ut som om kjeppen blir bøyd akkurat der den møter vannet? Dette vanlige, men merkelige fenomenet illustrerer at når en lysstråle går fra ett medium til et annet, for eksempel fra luft til vann, fortsetter den ikke i en rett linje, men blir bøyd, med mindre den treffer innfallspunktet vinkelrett. Det er hva vitenskapsmenn kaller brytning. I hvilken grad lyset blir brutt, avhenger av mediet — luft, vann, olje, glass og så videre — og innfallsvinkelen, det vil si vinkelen mellom lysstrålen og en linje vinkelrett på grenseflaten.
Se på kameralinsen igjen. Du vil legge merke til at linsens overflate ikke er flat, men krum som overflaten av en kule, eller konveks. Tenk deg nå at en lysstråle treffer linsen. Midt på linsen treffer lysstrålen vinkelrett på linsens overflate, så der går lyset rett igjennom uten å bli brutt. Innfallsvinkelen blir større og større jo lenger ut mot kanten av linsen lyset treffer. Det betyr at brytningen forårsaket av linsen også blir større jo lenger bort fra midten av linsen lyset treffer. På grunn av dette vil strålene som kommer fra det samme punktet på den ene siden av en riktig utformet linse, bli samlet eller fokusert på den andre siden, slik at det blir dannet et bilde.
Konstruksjon av et optisk system
Det hele kompliseres av at lys av forskjellig farge eller bølgelengde brytes i ulik grad. Det er derfor et prisme sprer en solstråle ut i dens mange farger og danner en regnbue. Det samme skjer med en vanlig linse. Bildet har vanligvis fargede og dermed forvrengte kanter.
Dette problemet kan overvinnes gjennom nøyaktig konstruksjon. Vitenskapsmenn vet for eksempel at den kjemiske sammensetningen av glasset som blir brukt i en linse, har innvirkning på måten linsen bryter lyset på. En konstruktør kan gjøre avvik og forvrengning minst mulig ved å lage et system av linser med forskjellig glass og krumning.
Det er imidlertid ikke enkelt å konstruere et slikt system. Det pleide å ta mange mennesker uker og måneder med møysommelige beregninger å få til en konstruksjon. I dag blir datamaskiner brukt til å beregne alle mulige vinkler til lysstrålene, avstanden mellom linsene, krumningen til hver linse og mange andre ting. Datamaskinen er programmert til å velge ut den kombinasjonen som gir et system med størst mulig nøyaktighet.
Et godt kameraobjektiv kan ha fra fire til sju, eller flere, forskjellige komponenter, som har overflater med et avvik på noen titusendels millimeter. Hvert element må monteres i et nøyaktig forhold til de andre elementene. Diameteren til hvert element bør være så stor som mulig for at mest mulig lys skal fanges opp. Det er dyrt å få til alt dette, og det forklarer hvorfor et presisjonskamera er så dyrt. Et av kameraene som brukes på romferjene, kan for eksempel fotografere detaljer på jorden med en diameter på ti meter fra en posisjon 240 kilometer ute i verdensrommet. Dette kameraet har et objektiv med åtte elementer, og det kostet ni millioner dollar!
Å se det usynlige
Tenk over alt det innebærer å konstruere, produsere og teste et optisk system som skal brukes i et teleskop som skal gjøre det mulig for oss å se ut i det enorme og ærefryktinngytende universet. Fjerne stjerner er så lyssvake at de fleste av dem er usynlige for det blotte øye. Et teleskop samler så mye lys som mulig fra disse fjerne stjernene, fokuserer det på ett punkt og danner et synlig bilde.
De fleste optiske teleskoper bruker et konkavt speil for å samle de svake lysstrålene. Det berømte Hale-teleskopet på Mount Palomar, med en rekkevidde på flere milliarder lysår, har for eksempel et speil som er fem meter i diameter. Selv om det er imponerende, er Hale-teleskopet nå blitt overgått av et teleskop på fjellet Mauna Kea på Hawaii. Dette teleskopet har et speil som er ti meter i diameter, og det kan samle fire ganger så mye lys som Hale-teleskopet. Det er faktisk så kraftig at «det kunne vært mulig å se lyset fra et stearinlys på jorden fra månen,» forteller Howard Keck, som er president for den stiftelsen som donerte 70 millioner dollar for å støtte prosjektet.
I den senere tid har imidlertid astronomene vært mest opptatt av et annet slags teleskop, HST (Hubble Space Telescope), som har kostet 1,6 milliarder dollar (10,8 milliarder kroner). Det ble satt i omløp av en romferje og kretser rundt jorden i en bane som ligger 500 kilometer ute i rommet. Siden utsikten ikke blir tilslørt av jordens atmosfære, har det en oppløsningsevne som teoretisk sett gjør det mulig å «skjelne mellom venstre og høyre frontlykt på en bil på 4000 kilometers avstand,» sier bladet Sky & Telescope. For å oppnå en slik oppløsningsgrad måtte det forholdsvis beskjedne speilet, som er 2,4 meter i diameter, ha en overflate med et avvik på mindre enn to milliondels millimeter. Til alles store skuffelse var imidlertid de første bildene HST sendte hjem fra rommet, uklare på grunn av en produksjonsfeil. Bladet New Scientist forteller: «En bit av en syntetisk film på størrelse med et sandkorn falt av et kontrollinstrument da teleskopets primærspeil ble laget. Dermed ble speilet slipt for flatt.» Selv den beste høyteknologi har tydeligvis sine svake punkter.
La oss nå forlate de store ting vi kan se med et teleskop, og kikke på de små ting vi kan se med et mikroskop. De første mikroskopene var bare forstørrelsesglass. I det 17. århundre kom sammensatte mikroskoper i bruk. Der ble det bildet som ble dannet av én linse, ytterligere forstørret av en annen linse. Den første linsen kalles vanligvis for objektivet, fordi den er rettet mot objektet som skal observeres, og den andre linsen kalles for okularet.
For at et mikroskop skal virke, må det samle så mye lys som mulig fra et lite objekt. Objektivet er derfor formet som en slags halvkule eller som hatten på en sopp. Selv om objektivet kan ha en diameter på en millimeter eller mindre, må ikke overflaten ha et avvik på mer enn en tusendels millimeter.
Interessant nok avhenger ikke evnen til å se små objekter så mye av instrumentet som av lyset som blir brukt til å opplyse objektet. Jo mindre objektet er, jo kortere bølgelengde bør lyset som opplyser det, ha. Optiske mikroskoper bruker synlig lys, og det gjør at de ikke kan brukes til å se objekter med en diameter mindre enn en titusendels millimeter. De første mikroskopene gjorde forskerne i stand til å se at plantene består av utallige celler — en åpenbaring for dem. Dagens biologistudenter kan se inn i bakterienes og blodcellenes rike med sine mikroskoper.
Vi har også elektronmikroskoper, som gjør at vi kan se enda mindre objekter. Som navnet sier oss, bruker ikke disse synlig lys, men i stedet blir stråler av elektroner med høy energi rettet mot objekter som er så små som en milliondels millimeter. Det gjør at vi kan se virus og større molekyler.
Hva med strukturen til atomet og dets kjerne? Forskerne må «knuse» et atom og deretter bruke datamaskiner til å lage et bilde av resultatet for å se nærmere på det. På en måte er derfor partikkelakseleratorene — syklotroner, synkrotroner og andre — som kan være flere kilometer lange, de største og kraftigste «mikroskopene». Disse instrumentene har gitt vitenskapsmenn et glimt av hemmelighetene ved de kreftene som holder universet sammen.
Det vidunderlige synet
Man kan kanskje tro at det menneskelige øye er primitivt i forhold til disse kompliserte instrumentene. Øyet er kanskje enkelt, men det er langt fra primitivt. Øyet har ikke noe problem med lys av forskjellige farger. Det har et system for automatisk fokusering som er raskt og effektivt. Det kan se tredimensjonalt. Det kan skjelne mellom millioner av fargenyanser og grader av lysstyrke. Det kan skape og registrere et nytt bilde hvert tiendedels sekund. Ja, listen fortsetter og fortsetter. For et mesterverk det menneskelige øye er!
Hvor takknemlige er vi ikke for at vi har evnen til å se — med eller uten hjelp av optiske instrumenter! Den økte kunnskapen om store og små og synlige og usynlige ting har gitt oss mange praktiske goder. Men først og fremst bør den fantastiske gaven som synet er, og det vi lærer ved hjelp av optikk, få oss til å se hvilken visdom og kjærlighet Skaperen, Jehova Gud, har, han som har tilveiebrakt alt dette. — Salme 148; Ordspråkene 20: 12.
[Bilder på side 23]
Den imponerende Oriontåken, som ligger 1300 lysår borte
[Rettigheter]
NASA foto
Innfelt: Et av teleskopene ved Kitt Peak National Observatory i Arizona i USA
[Bilder på side 24]
Øverst: Skjell fra nattsommerfuglens vinge, forstørret av et elektronmikroskop
Nederst til venstre: Ved 40 000 gangers forstørrelse kan man se enda flere detaljer. Dette illustrerer hvor komplisert oppbygningen av alt levende er
[Rettigheter]
Øverst og nederst til venstre: Outdoor Pictures
Nederst til høyre: Hookes tidlige sammensatte mikroskop fra «Micrographia» av Robert Hooke, 1665
[Rettigheter]
Historical Pictures Service