Sien die onsigbare—die wetenskap van die optika
’N SKILDERAGTIGE landskap, ’n glansryke sonsondergang, ’n lieflike blom—alles pragtige dinge wat ’n lus vir die oog is. Hoewel ons selde nadink oor wat by sig betrokke is, is ons gewis bly dat ons kan sien.
So wonderlik as wat die oog is, is die dinge wat ons met die blote oog kan sien maar ’n fraksie van wat gesien kan word. Met behulp van optiese instrumente—van die eenvoudige vergrootglas tot teleskope, mikroskope, spesiale kameras, spektroskope ensovoorts—het die wetenskap van die optika, soos die studie van lig bekend staan, ons kennis van onsself en van die wêreld om ons grootliks verbreed.
Hoewel jy dalk party van hierdie optiese instrumente ken, weet jy hoe hulle werk? Byvoorbeeld, waarom vergroot ’n vergrootglas? Hoe kan die een instrument ons die wêreld van mikroörganismes laat sien terwyl ’n ander ons weer die uitgestrekte heelal laat sien? Die wetenskap van die optika is al lank ’n boeiende studieveld.
Die basiese element
Het jy al ooit ’n handvergrootglas gebruik om ’n gat in ’n stukkie papier te brand deur die sonstrale daarop te konsentreer? Wat jy daar in jou hand gehad het, was ’n optiese instrument in sy eenvoudigste vorm—’n lens. Daardie kolletjie op die papier was in werklikheid ’n beeld van die son wat veroorsaak is deur die eenvoudige lens in jou hand. Deur al die energie in die sonstraal op een kolletjie te konsentreer, het dit warm genoeg geword om die papier te laat brand.
’n Ander lens waarmee baie mense bekend is, is die een voor aan ’n kamera. Jy weet moontlik dat dit die lig van ’n voorwerp fokus om ’n beeld op die film te vorm sodat ’n foto geneem kan word. Dit is hoofsaaklik wat ’n lens doen. Dit trek die lig saam om ’n beeld van gepaste grootte en intensiteit te vorm sodat dit waargeneem of vasgelê kan word. Maar hoe laat die lens die lig buig en saamtrek, of fokus? Die antwoord lê in ’n optiese verskynsel wat as refraksie bekend staan.
Wat sien jy wanneer jy ’n stok in die water steek? Lyk dit nie asof die stok gebuig is waar dit in die water ingaan nie? Hierdie algemene maar eienaardige verskynsel lig toe dat wanneer ’n ligstraal van een medium na ’n ander beweeg, byvoorbeeld van water na lug, dit nie in ’n reguit lyn voortbeweeg nie; dit is gebuig tensy dit die grens loodreg tref. Wetenskaplikes noem dit refraksie. Die mate waarin die lig gebuig word, hang af van die mediums—lug, water, olie, glas, ensovoorts—en van die invalshoek, dit wil sê, die hoek tussen die ligstraal en die loodlyn by die ingangspunt.
Kyk weer na ’n kameralens. Jy sal opmerk dat die oppervlak van die lens nie plat nie maar geboë is, soos die oppervlak van ’n sfeer, of konveks. Stel jou nou ’n ligstraal voor wat van ’n afstand af daarop val. In die middel is die lig loodreg aan die oppervlak van die lens; die gevolg is dat dit reguit deurbeweeg sonder om gebreek te word. Die invalshoek word progressief groter na die buitekant van die lens toe. Dit beteken dat die refraksie wat deur die lens veroorsaak word ook groter is hoe verder die lig van die middel af val. As gevolg hiervan sal al die strale wat hulle oorsprong by ’n gemeenskaplike punt aan die een kant van ’n goed gevormde lens het op die ander kant saamtrek, of gefokus word, om ’n beeld te vorm.
Hoe om ’n optiese stelsel te ontwerp
Om sake nog verder te bemoeilik, word die lig van verskillende kleure, of golflengtes, in verskillende grade gebreek. Dit is waarom ’n prisma ’n sonstraal in sy kleure laat uitsprei om ’n reënboog te vorm. Dit is presies wat met ’n eenvoudige lens gebeur; die beeld het gewoonlik gekleurde, en dus verwronge, rande.
Hierdie probleem kan deur versigtige ontwerp te bowe gekom word. Wetenskaplikes weet byvoorbeeld dat die chemiese inhoud van die glas wat in ’n lens gebruik word sy brekingseienskappe sal verander. Deur ’n stelsel lense van verskillende soorte glas en met verskillende krommings te ontwikkel, kan ’n ontwerper aberrasie en verwringing tot die minimum beperk.
Dit is egter nie maklik om so ’n stelsel te ontwikkel nie. Voorheen moes baie mense weke en maande lank tydrowende berekeninge doen om met ’n ontwerp vorendag te kom. Vandag word rekenaars gebruik om al die moontlike variasies te bereken wat die hoeke van ligstrale, die afstande tussen lense, die kromming van elke lens en ’n magdom ander faktore betref. Die rekenaar is geprogrammeer om daardie kombinasie te kies wat die stelsel met die hoogste akkuraatheid tot gevolg sal hê.
’n Goeie kameralens kan van vier tot sewe, of meer, individuele elemente hê, met oppervlakke wat akkuraat is tot op ’n tienduisendste van ’n millimeter. Elke element moet in presiese verhouding tot die ander gemonteer word. Om soveel lig moontlik op te vang, moet die deursnee van elke element so groot wees as wat prakties moontlik is. Dit is duur om al hierdie dinge te doen, en dit verduidelik waarom ’n presisiekamera so duur is. Een van die kameras op die ruimtependeltuig kan byvoorbeeld besonderhede op aarde afneem wat tien meter wyd is en dit van 240 kilometer uit die ruimte. Dié kamera het ’n lens met agt elemente en het 24750 000 rand gekos!
Hoe die onsigbare gesien kan word
Stel jou voor wat alles betrokke is by die ontwerp, vervaardiging en toetsing van ’n teleskoop se optiese stelsel wat ons in staat sal stel om in ons uitgestrekte, ontsagwekkende heelal in te tuur. Afgeleë sterre is so dof dat die meeste van hulle onsigbaar is vir die blote oog. ’n Teleskoop sal soveel lig moontlik van hierdie afgeleë sterre versamel, dit op ’n gemeenskaplike punt fokus en ’n sigbare beeld vorm.
Die meeste optiese teleskope gebruik ’n hol spieël om die dowwe ligstrale te versamel. Die beroemde Hale-teleskoop op Mount Palomar het byvoorbeeld ’n spieël met ’n deursnee van vyf meter en kan etlike miljoene ligjare in die ruimte intuur. Ten spyte van sy ontsagwekkende grootte word die Hale-teleskoop nou verdwerg deur ’n teleskoop bo-op Mauna Kea in Hawaii. Dié teleskoop het ’n spieël van tien meter—met vier keer die ligversamelkapasiteit van die teleskoop op Palomar. Trouens, dit is so sterk dat “dit ’n mens die lig van ’n enkele kers so ver weg as die maan kan laat sien”, sê Howard Keck, president van die stigting wat 192 500 000 rand ter ondersteuning van die projek geskenk het.
Die oë van sterrekundiges was ’n tyd lank op ’n ander soort teleskoop gevestig: die HST (Hubble-ruimteteleskoop) wat R4 400 000 000 gekos het. Dit is deur die ruimtependeltuig gelanseer en wentel om die aarde in ’n baan 500 kilometer in die ruimte in. Sonder belemmering van die aarde se atmosfeer kan hy so goed sien dat sy skeidingsvermoë teoreties “gelykstaande daaraan is om ’n motor se linker- en regterkoplig op ’n afstand van [4 000 kilometer] te onderskei”, sê die tydskrif Sky & Telescope. Om hierdie graad van skeidingsvermoë te kon behaal, moes die oppervlak van sy kleinerige 2,4 meter spieël akkuraat wees tot op vyf honderdduisendstes van ’n millimeter. Maar tot almal se groot teleurstelling was die eerste beelde wat die HST uit die ruimte teruggestuur het onduidelik, blykbaar as gevolg van ’n fabrieksfout. “’n Stukkie sintetiese film die grootte van ’n sandkorrel”, sê ’n verslag in New Scientist, “het van ’n kalibreertoestel afgebreek tydens die vervaardiging van die teleskoop se primêre spieël. Gevolglik is die spieël te plat geslyp.” Blykbaar is selfs die gevorderdste hipertegnologie nie sonder foute nie!
Van ’n teleskoop waarmee ’n mens ver kan sien, kom ons kyk na ’n mikroskoop waarmee ons naby kan sien. Die vroegste mikroskope was niks meer as ’n vergrootglas nie. Teen die 17de eeu is saamgestelde mikroskope in gebruik geneem waarin die beeld wat deur die een lens gevorm is verder deur ’n ander lens vergroot is. Die eerste lens word gewoonlik die objektief genoem omdat dit gerig is op die voorwerp waarna daar gekyk word, terwyl die tweede lens die oogstuk genoem word.
’n Mikroskoop moet soveel ligstrale moontlik van ’n baie klein voorwerp af kan versamel om behoorlik te kan werk. Om dit te kan doen, word die objektieflens min of meer in die vorm van ’n halwe sfeer, amper soos die kappie van ’n paddastoel, gevorm. Hoewel dit net een millimeter of minder in deursnee is, moet sy vlakke akkuraat wees tot op ’n duisendste van ’n millimeter.
Dit is interessant dat die vermoë om klein voorwerpies te sien nie soveel van die instrument afhang as van die lig wat gebruik word om die voorwerp te verlig nie. Hoe kleiner die voorwerp waarna daar gekyk word, hoe korter moet die golflengte van die lig wees wat gebruik word om dit te verlig. Optiese mikroskope gebruik sigbare lig, en dit beperk hulle tot voorwerpe wat nie kleiner as een tienduisendste van ’n millimeter in deursnee is nie. Die eerste mikroskope het wetenskaplikes in staat gestel om die feit te ontdek dat plante uit tallose selle bestaan—’n openbaring. Vandag kan biologiestudente met hulle klaskamermikroskope die wêreld van bakterieë en bloedselle bekyk.
Met behulp van die elektronmikroskoop kan ons na selfs nog kleiner voorwerpe kyk. Soos die naam aandui, word bundels hoë-energie-elektrone pleks van sigbare lig op voorwerpe met ’n grootte van tot ’n miljoenste van ’n millimeter gerig. Sodoende kan virusse en groter molekules gesien word.
Wat van die struktuur van die atoom of sy kern? Om hierdie dinge te kan sien, moet wetenskaplikes ’n atoom “breek” en dan van rekenaars gebruik maak om ’n foto van die resultaat saam te stel. In sekere sin is die grootste en sterkste “mikroskope” dus die deeltjieversnellers—siklotrone, sinchrotrone en ander—waarvan party kilometers groot is. Hierdie instrumente het wetenskaplikes ’n kykie gegee in die geheime van die kragte wat die heelal saambind.
Die wonder van sig
Vergeleke met hierdie ingewikkelde instrumente sou ’n mens kon dink dat die menseoog maar primitief is. Miskien eenvoudig; maar nooit primitief nie! Die oog sukkel nie met die verskillende kleure van lig nie. Sy outomatiese fokusstelsel is vinnig en doeltreffend. Dit kan in drie dimensies sien. Dit kan miljoene liggraderings en kleurskakerings waarneem. Elke tiende van ’n sekonde kan die oog ’n nuwe beeld skep en waarneem. Die lys word al hoe langer. Wat ’n meesterstuk—die menseoog!
Hoe dankbaar is ons tog vir die vermoë om te kan sien—met of sonder die gebruik van optiese toestelle! Die vermeerderde kennis van dinge wat groot en klein, sigbaar en onsigbaar is, het vir ons baie tasbare voordele gebring. Maar bowenal behoort die wonderlike gawe van sig, tesame met die dinge wat met behulp van die wetenskap van die optika geleer kan word, ons te help om die wysheid en liefde te sien van die een wat hierdie dinge voorsien het, die Skepper, Jehovah God.—Psalm 148; Spreuke 20:12.
[Prente op bladsy 23]
Die skouspelagtige Orion-newel, 1 300 ligjare weg
[Erkenning]
NASA photo
Insetsel: Een van die teleskope by die Kitt Peak nasionale sterrewag, Arizona, VSA
[Prente op bladsy 24]
Bo: ’n Skilfer van ’n mot se vlerk wat met behulp van ’n elektronmikroskoop vergroot is
Links onder: Wanneer dit 40 000 keer vergroot is, kan selfs meer besonderhede gesien word, en dit lig die ingewikkelde ontwerp toe wat in die struktuur van alle lewende dinge aangetref word
[Erkenning]
Top and bottom left: Outdoor Pictures
Regs onder: Hooke se vroeë saamgestelde mikroskoop uit “Micrographia” deur Robert Hooke, 1665
[Erkenning]
Historical Pictures Service