رؤية ما هو غير مرئي —‏ علم البصريات

منظر طبيعي خلّاب،‏ مغيب رائع،‏ زهرة فاتنة —‏ جميعها مشاهد جميلة بهجة للنظر.‏ وعلى الرغم من اننا نادرا ما نفكر في ما تشمله الرؤية،‏ فنحن مسرورون بالتأكيد اننا نقدر ان نرى.‏

مهما كانت العين مدهشة،‏ فإن ما نقدر ان نراه بالعين المجرَّدة ليس الّا جزءا مما هنالك لرؤيته.‏ وباستعمال الاجهزة البصرية —‏ من القطعة الزجاجية المكبِّرة البسيطة الى المقاريب telescopes،‏ المجاهر microscopes،‏ الكاميرات الخصوصية،‏ كواشف الطيف spectroscopes،‏ وهلم جرا —‏ وسّع علم البصريات،‏ كما تدعى دراسة الضوء،‏ بشكل كبير معرفتَنا لانفسنا وللعالم حولنا.‏

على الرغم من انكم قد تكونون حسني الاطلاع على بعض هذه الاجهزة البصرية،‏ هل تعرفون كيف تعمل؟‏ لماذا،‏ مثلا،‏ تكبِّر القطع الزجاجية المكبِّرة؟‏ ما الذي يجعل احد الاجهزة يعرض عالم العضويات الدقيقة وآخر يكشف للبصر مساحة الكون المترامية الاطراف؟‏ لقد كان علم البصريات حقلا للدرس مثيرا للاهتمام لزمن طويل.‏

العنصر الاساسي

هل استعملتم يوما ما قطعة زجاجية مكبِّرة تُحمل باليد من اجل إحداث ثقب بالحَرْق في قطعة ورق بواسطة تركيز حزمة من ضوء الشمس عليها؟‏ ما كان لديكم هناك هو جهاز بصري في شكله الابسط —‏ عدسة.‏ وتلك البقعة الصغيرة على الورقة كانت في الواقع صورة للشمس انتجتها العدسة البسيطة التي كانت في يدكم.‏ فتجميع كل الطاقة التي في تلك الحزمة من ضوء الشمس في بقعة صغيرة واحدة جعلها ساخنة كفاية لحرق الورقة.‏

ثمة عدسة اخرى كثيرون هم حسنو الاطلاع عليها وهي تلك التي في واجهة الكاميرا.‏ وقد تعرفون انها تركِّز الضوء من جسم ما لتؤلف نسخة على الفيلم لكي تؤخذ الصورة.‏ وهذا ما تفعله العدسة من حيث الاساس.‏ انها تجمع الضوء لتأليف صورة ذات حجم وشدَّة ملائمَين بحيث يمكن ملاحظتها او تسجيلها.‏ ولكن كيف تجعل العدسة الضوء ينحني ويُجمع،‏ او يُركَّز؟‏ يكمن الجواب في ظاهرة بصرية تدعى الانكسار.‏

عندما تغطّسون عودًا في بركة ماء،‏ ماذا ترون؟‏ الا يبدو العود منحنيا عند النقطة التي يدخل فيها الى الماء؟‏ يوضِح هذا الحدث الشائع ولكن الغريب انه عندما تمر حزمة ضوء من وسط الى آخر،‏ كما من الماء الى الهواء،‏ لا تستمر في خط مستقيم؛‏ فهي تنحني الّا عندما ترتطم بالحد عموديا.‏ هذا ما يدعوه العلماء بالانكسار.‏ والحدّ الذي اليه ينكسر الضوء يتوقَّف على الاوساط —‏ الهواء،‏ الماء،‏ الزيت،‏ الزجاج،‏ وهلم جرا —‏ وعلى زاوية السقوط،‏ اي الزاوية بين الشعاع الضوئي والخط العمودي عند نقطة الدخول.‏

القوا نظرة على عدسة الكاميرا من جديد.‏ ستلاحظون ان سطح العدسة ليس مستويا بل مقوَّسا مثل سطح كرة او محدَّبٍ.‏ والآن تخيَّلوا حزمة من الضوء آتية اليه من بعيد.‏ عند المركز،‏ يكون الضوء عموديا بالنسبة الى سطح العدسة؛‏ وهكذا يجتازها على نحو مستقيم دون ان يحدث انكسار.‏ وتصير زاوية السقوط اكبر تدريجيا عند حرف العدسة.‏ وهذا يعني ان الانكسار الذي تسببه العدسة يكون اكبر ايضا كلما كان المكان الذي يضرب فيه الضوء بعيدا عن المركز.‏ وبسبب ذلك،‏ فإن كل الاشعة المنبثقة من النقطة عينها في احدى ناحيتَي العدسة المشكَّلة على نحو لائق،‏ ستأتي معا،‏ او تتركز،‏ في الناحية الاخرى لتؤلف صورة.‏

تصميم منظومة بصرية

ولكن،‏ من اجل تعقيد الامور،‏ فإن الضوء ذا الالوان المختلفة،‏ او اطوال الموجات المختلفة،‏ ينكسر بدرجات مختلفة.‏ لهذا السبب يقسِّم المنشور prism حزمة من ضوء الشمس الى الوانها،‏ مؤلِّفا قوس قزح.‏ وهذا هو تماما ما يحدث مع عدسة بسيطة؛‏ فالصُوَر لها عادة هُدُب ملوَّنة،‏ وبالتالي مشوَّهة.‏

يمكن التغلب على هذه المشكلة بواسطة التصميم الدقيق.‏ فالعلماء يعرفون،‏ مثلا،‏ ان المحتوى الكيميائي للزجاجة المستعمَلة في العدسة سيغيّر خصائصها الانكسارية.‏ وبابتداع منظومة من عدسات مصنوعة من انواع مختلفة من الزجاج وذات تقوُّسات مختلفة،‏ يمكن للمصمِّم ان يبقي الزَيْغ والتشوُّه في الحد الادنى.‏

لكنّ تصميم منظومة كهذه ليس سهلا.‏ فقد كان الامر يشمل اناسا كثيرين يقومون بحسابات شاقة لاسابيع وشهور من اجل انتاج تصميم.‏ واليوم،‏ تُستعمل اجهزة الكمپيوتر لحساب كل التغييرات الممكنة في زوايا اشعة الضوء،‏ المسافات بين العدسات،‏ تقوُّس كل عدسة،‏ ومجموعة من العوامل الاخرى.‏ ويُبرمَج الكمپيوتر لاختيار المجموعة التي ستؤدي الى منظومة ذات دقَّة اشدّ.‏

قد يكون للعدسة الجيدة للكاميرا من اربعة الى سبعة عناصر فردية،‏ او اكثر،‏ ذات سطوح تصل دقَّتها الى بضعة اجزاء من مليون من الإنش (‏اجزاء من عشرة آلاف من المليمتر)‏.‏ ويجب ان يركَّب كل عنصر بعلاقة مضبوطة بالاخرى.‏ ولالتقاط اكبر كمية ممكنة من الضوء،‏ يجب ان يكون قطر كل عنصر كبيرا بقدر ما يكون ذلك معقولا.‏ كل هذه الامور فعلها مكلف،‏ وهذا يفسر لماذا تكون الكاميرا المضبوطة غالية جدا.‏ مثلا،‏ ان احدى الكاميرات المستعملة في المكُّوك الفضائي يمكنها ان تصوِّر تفاصيل على الارض عرضها ٣٠ قدما (‏١٠ م)‏ من ارتفاع يبلغ اكثر من ١٥٠ ميلا (‏٢٤٠ كلم)‏ في الفضاء.‏ ولدى هذه الكاميرا عدسة ذات ثمانية عناصر،‏ وقد كلفت تسعة ملايين دولار!‏

رؤية ما لا يرى

تخيَّلوا ما يشمله تصميم،‏ انتاج،‏ واختبار منظومة بصرية للاستعمال في مِقراب سيسمح لنا بأن ننظر خارجا الى كوننا المترامي الاطراف،‏ الموحي بالرهبة.‏ فالنجوم البعيدة خافتة جدا بحيث ان العين المجرَّدة لا ترى معظمها.‏ وسيجمع المِقراب الضوء قدر المستطاع من هذه النجوم البعيدة،‏ يركزها في نقطة مشتركة،‏ ويكوِّن صورة مرئية.‏

تستعمل معظم المقاريب البصرية مرآةً مقعَّرة لجمع اشعة الضوء الخافتة.‏ فمِقراب هَيْل الشهير على جبل پالومار،‏ مثلا،‏ لديه مرآة يبلغ قطرها ٢٠٠ إنش (‏٥ م)‏ ويمكنه ان يحدِّق الى آلاف الملايين من السنين الضوئية.‏ وبقدر ما يكون مرهبا،‏ فقد تفوَّق على مِقراب هَيْل واحدٌ في اعلى ماونا كايا لهاوايي.‏ ولهذا المِقراب مرآة من ٤٠٠ إنش (‏١٠ م)‏ —‏ اربع مرات القدرة على جمع الضوء التي للمِقراب على پالومار.‏ وهو في الواقع،‏ قوي جدا بحيث انه «يمكّن المرء من رؤية ضوء شمعة واحدة من مسافة القمر،‏» قال هاوَرد كِك،‏ رئيس المؤسسة التي وهبت ٧٠ مليون دولار لدعم المشروع.‏

لبعض الوقت،‏ كانت أعْين علماء الفلك موجَّهة نحو مِقراب من نوع مختلف:‏ الـ‍ HST الذي يبلغ ثمنه ٠٠٠‏,٠٠٠‏,٦٠٠‏,١ دولار (‏مِقراب هَابّل الفضائي)‏.‏ واذ اطلقه المكُّوك الفضائي،‏ فإنه يدور حول الارض في مدار يبعد ٣٠٠ ميل (‏٥٠٠ كلم)‏ خارجا في الفضاء.‏ ودون ان يعيقه جو الارض،‏ يمكنه ان يرى على نحو جيد جدا بحيث،‏ نظريا،‏ تكون قدرة الاستبانة resolving power التي له «معادلة لتمييز المصباحَين الاماميَّين الايسر والأيمن للسيارة من مسافة ٥٠٠‏,٢ ميل (‏٠٠٠‏,٤ كلم)‏،‏» تقول المجلة السماء والمِقراب.‏ ومن اجل بلوغ درجة الاستبانة هذه،‏ كان يلزم ان يكون سطح مرآته المتواضعة ذات الـ‍ ٩٤ إنشا (‏٤‏,٢ م)‏ دقيقا الى نحو جزءين من مليون من الإنش (‏خمسة اجزاء من مئة الف من المليمتر)‏.‏ ولكن،‏ لخيبة امل الجميع الكبيرة،‏ فإنَّ الصور الاولى التي ارسلها الـ‍ HST من الفضاء كانت غير واضحة،‏ بالتأكيد نتيجة عيب في الصناعة.‏ «ثمة شظية من غشاء اصطناعي بحجم حبة رمل،‏» يقول تقرير في العالِم الجديد،‏ «انفصلت عن اداة العيار خلال صنع مرآة المِقراب الرئيسية.‏ ونتيجة لذلك صُقلت المرآة على نحو مسطَّح اكثر مما ينبغي.‏» فمن الواضح ان ارفع التقنيات العالية هي ايضا عُرْضَة للعطب!‏

من النظر بعيدا بواسطة مِقراب،‏ يمكننا ان ننتقل الى النظر عن قرب بواسطة المِجْهَر.‏ لم تكن المجاهر الباكرة اكثر من قطعة زجاجية مكبِّرة.‏ وبحلول القرن الـ‍ ١٧،‏ صارت المجاهر المركَّبة تُستعمل،‏ وفيها كانت الصورة التي تؤلفها احدى العدسات تكبِّرها على نحو اضافي عدسةٌ اخرى.‏ فالعدسة الاولى تدعى عادة الجِسميَّة objective لانها موجَّهة نحو الجسم الذي يجب ان يُرى،‏ والعدسة الثانية،‏ العَيْنِيَّة eyepiece.‏

لكي يقوم المِجْهَر بعمله،‏ يجب ان يكون قادرا ان يجمع قدر المستطاع من اشعة الضوء من جسم بالغ الصغر.‏ ولفعل ذلك،‏ تُصنع العدسة الجِسميَّة بشكل نصف كرة نوعا ما،‏ الى حد ما مثل قلنسوة الفطر.‏ ومع ان قطرها يبلغ اربعة اجزاء من مئة من الإنش (‏مليمترا واحدا)‏ او اقل،‏ يجب ان تبلغ دقة سطحَيها اربعة اجزاء من مئة الف من الانش (‏جزءا من الف من المليمتر)‏.‏

على نحو مثير للاهتمام،‏ ان القدرة على رؤية الاجسام الصغيرة لا تتوقف كثيرا جدا على الجهاز مثل ما تتوقف على الضوء المستعمل لانارة الجسم.‏ فكلما كان الجسم الذي يجب رؤيته اصغر،‏ لزم ان يكون طول الموجة الذي للضوء المضيء اقصر.‏ وتستعمل المجاهر البصرية الضوء المرئي،‏ وهذا يحصرها في رؤية الاجسام التي لا يكون عرضها اصغر من اربعة اجزاء من مليون من الانش (‏جزء من عشرة آلاف من المليمتر)‏.‏ ومكَّنت المجاهر الباكرة العلماءَ من الاكتشاف ان النباتات تتألف من خلايا لا تحصى —‏ كَشْف مدهش.‏ واليوم،‏ يستطيع طلّاب علم الاحياء ان يحدِّقوا في عالم الجراثيم وخلايا الدم بواسطة مجاهر غرف التدريس التي لهم.‏

من اجل رؤية الاجسام الاصغر ايضا،‏ لدينا المِجْهَر الالكترونيّ.‏ وكما يدلّ الاسم ضمنا،‏ بدلا من الضوء المرئي،‏ يجري توجيه حزم من الالكترونات ذات طاقة شديدة نحو اجسام بصغر اربعة اجزاء من مئة مليون من الإنش (‏جزء من مليون من المليمتر)‏.‏ ويكشف ذلك للبصر الڤيروسات والجُزَيْئات الاكبر.‏

وماذا عن بنية الذرّة او نواتها؟‏ لالقاء نظرة الى هذه الامور،‏ يجب على العلماء ان «يسحقوا» ذرّة وبعد ذلك ان يستعملوا اجهزة الكمپيوتر لانشاء صورة للنتيجة.‏ اذًا،‏ من بعض النواحي،‏ فان «المجاهر» الاكبر والاقوى هي مسرِّعات الجُسَيْمات particle accelerators —‏ المسرِّعات الحَلْقية cyclotrons،‏ المسرِّعات التزامُنيّة synchrotrons،‏ وغيرها —‏ التي يبلغ حجم بعضها اميالا.‏ لقد اعطت هذه الاجهزة العلماءَ لمحة الى اسرار القوى التي تجعل الكون متماسكا.‏

اعجوبة النظر

اذ تقارَن بهذه الاجهزة المعقَّدة،‏ قد يظن المرء ان العين البشرية بدائية حقا.‏ بسيطة،‏ ربما؛‏ بدائية،‏ ابدا!‏ فليست للعين اية مشكلة مع الوان الضوء المختلفة.‏ ونظام التركيز الآلي الذي لها سريع وفعّال.‏ ويمكنها ان ترى في ثلاثة ابعاد.‏ ويمكنها ان تكتشف ملايين من الانتقالات التدريجية للضوء وظلال الالوان.‏ ويمكنها ان تكوِّن وتسجِّل صورة جديدة كل عُشر من الثانية.‏ وتستمر اللائحة دون توقُّف.‏ يا لها من تحفة —‏ العين البشرية!‏

كم نحن شاكرون على القدرة على الرؤية —‏ مع او دون استعمال الادوات البصرية!‏ ان المعرفة المتزايدة للامور الكبيرة والصغيرة،‏ المنظورة وغير المنظورة،‏ قد جلبت فوائد ملموسة كثيرة.‏ ولكن فوق كل شيء،‏ ان هبة النظر الرائعة،‏ مقرونة بما يجري تعلّمه بواسطة علم البصريات،‏ يجب ان تساعدنا على رؤية حكمة ومحبة ذاك الذي زوّد هذه الامور،‏ الخالق،‏ يهوه اللّٰه.‏ —‏ مزمور ١٤٨؛‏ امثال ٢٠:‏١٢‏.‏

‏[الصورتان في الصفحة ٢٣]‏

سَدِيم الجبّار المثير للاعجاب،‏ يبعد ‎٣٠٠,١ سنة ضوئية

‏[مصدر الصورة]‏

NASA photo

الصورة المدرَجة:‏ احد المقاريب في مرصد كِت پيك القومي،‏ آريزونا،‏ الولايات المتحدة الاميركية

‏[الصور في الصفحة ٢٤]‏

فوق:‏ قاعدة حرشفة واحدة من جناح عُثَّة،‏ مكبَّرة بواسطة مِجْهَر الكترونيّ

اسفل اليسار:‏ عند التكبير ‎٠٠٠,٤٠ مرة،‏ تُشاهد تفاصيل اكثر ايضا،‏ توضح التصميم المعقَّد الموجود في بِنية كل الاشياء الحيَّة.‏

‏[مصدر الصورة]‏

Top and bottom left: Outdoor Pictures

اسفل اليمين:‏ مِجْهَر هوك المركَّب من كتاب «Micrographia» بواسطة روبرت هوك،‏ ١٦٦٥

‏[مصدر الصورة]‏

Historical Pictures Service