Vidíme neviditelné — Věda zvaná optika
MALEBNÁ krajina, oslnivý západ slunce, něžná květina — to jsou nádherné výjevy, na které je radost pohledět. I když se možná jen zřídka zamyslíme nad tím, jak je možné, že vidíme, jsme rádi, že tuto schopnost máme.
Oko je podivuhodný orgán, ale prostým okem můžeme vidět pouhý zlomek toho, co je možné vidět. Poznání o člověku i o světě kolem nás značně pomohla rozšířit optika. Je to nauka, která se zabývá světlem a využívá k tomu optické pomůcky — od jednoduchého zvětšovacího skla až k teleskopům, mikroskopům, speciálním kamerám, spektroskopům a dalším přístrojům.
Ačkoli zřejmě některé z těchto optických přístrojů znáte, víte, na jakém základě pracují? Například, proč zvětšovací sklo zvětšuje? Jak je možné, že nás jeden přístroj může přenést do světa mikroorganismů a jiný nám přiblíží nezměrné dálky vesmíru? Optika je již dlouhou dobu zajímavým oborem lidského bádání.
Základní prvek
Zkusili jste někdy vypálit dírku do papíru tak, že jste na něj soustředili sluneční světlo obyčejnou lupou? Použili jste k tomu nejjednodušší optickou pomůcku — čočku. Ten malý bod na papíru byl ve skutečnosti obraz slunce vytvořený jednoduchou čočkou, kterou jste drželi v ruce. Energie slunečního světla soustředěná do jednoho malého bodu stačila k tomu, aby se zde papír propálil.
Další čočka, kterou mnozí dobře znají, je v objektivu fotoaparátu. Zřejmě víte, že soustřeďuje světlo z fotografovaného předmětu a na filmu vytváří příslušný obraz. Čočka v podstatě pracuje takto: Soustřeďuje světlo tak, aby se vytvořil obraz s odpovídajícím jasem a velikostí; ten lze pozorovat nebo zaznamenat. Ale jak se světlo v čočce ohýbá a soustřeďuje neboli zaostřuje? Tuto otázku vysvětluje optický jev, jemuž se říká refrakce.
Když do vody ponoříte hůl, co vidíte? Nevypadá, jako by byla ohnutá v místě, kde vchází do vody? Tento běžný, ale přesto zvláštní jev ukazuje, že když svazek paprsků prochází z jednoho prostředí do druhého, jako například z vody do vzduchu, nepokračuje přímo rovně; ohýbá se a výjimka je pouze tehdy, když na rozhraní přichází kolmo. Tomu se říká refrakce — lom světelných paprsků. Míra lomu paprsku záleží na prostředí — vzduch, voda, olej, sklo a jiné — a na úhlu dopadu, tedy úhlu, který světelný paprsek svírá s pomyslnou svislou čarou v bodu, kde do prostředí vstupuje.
Podívejme se ještě jednou na čočku ve fotoaparátu. Všimněte si, že povrch čočky není rovný, ale je zaoblený jako povrch koule; je konvexní neboli vypuklý. Nyní si představme, že na tuto čočku z určité vzdálenosti přichází paprsek světla. Ve středu směřuje světlo kolmo na povrch čočky, a proto projde přímo, aniž by došlo k nějakému lomu paprsků. Směrem k okrajům čočky se úhel dopadu stále zvětšuje. Čím dále od středu čočky světlo prochází, tím je také větší úhel lomu paprsků. Díky tomu všechny paprsky vycházející z jednoho bodu na přední straně správně tvarované čočky se sejdou opět v jednom bodu na zadní straně, neboli budou zaostřeny a vytvoří obraz.
Návrh optické soustavy
Celá záležitost však není tak jednoduchá. Světla různých barev neboli různých vlnových délek se lomí různou měrou. Proto hranol rozkládá sluneční světlo na příslušné barvy a vytváří duhu. Naprosto stejně pracuje i jednoduchá čočka; proto má obraz obvykle barevné, zkreslené okraje.
Tento problém lze překonat pečlivým návrhem optického členu. Vědci například vědí, že chemické složení skla, které se na čočky používá, ovlivní refrakční vlastnosti čočky. Konstruktér může při návrhu optického systému použít různé druhy skla a různá zakřivení, a tak lze aberaci (vadu optického zobrazení) a zkreslení udržet na nejmenší míře.
Navrhnout takovou optickou soustavu však není snadné. Dříve ji týdny a měsíce pracně vypočítávalo mnoho pracovníků. Dnes tuto práci provádějí počítače. Vypočítávají všechny různé odchylky v lomu světelných paprsků, vzdálenosti mezi čočkami, zakřivení každé čočky a množství dalších činitelů. Počítač má program, díky němuž vybere takovou kombinaci, která povede k optickému systému s nejvyšší přesností.
Dobrý objektiv fotoaparátu může mít čtyři až sedm, ale i více jednotlivých prvků, jejichž povrch je vyroben s přesností na několik desetitisícin milimetru. Každý prvek musí být usazen v přesném vztahu k dalším optickým členům. Aby se zachytilo co nejvíce světla, měl by být průměr každého jednotlivého členu co největší, jak jen je to účelné. To vše zvyšuje náklady při výrobě, a proto je přesný aparát tak drahý. Například jedna z kamer, které byly použity v raketoplánu, může z vesmíru rozlišit na zemském povrchu detaily o průměru 10 metrů ze vzdálenosti více než 240 kilometrů. Tento přístroj má objektiv skládající se z osmi prvků a jeho cena je devět miliónů dolarů!
Pozorujeme neviditelné
Představme si, co vše asi zahrnuje práce na návrhu, výrobě a zkouškách optické soustavy pro teleskop, který nám umožní pohled do nezměrného, bázeň vzbuzujícího vesmíru. Vzdálené hvězdy svítí tak slabě, že většinu z nich pouhým okem vidět nemůžeme. Teleskop dokáže z těchto vzdálených hvězd soustředit co nejvíce světla, zaostřit je do jednoho bodu a vytvořit viditelný obraz.
Většina optických teleskopů soustřeďuje světelné paprsky s malou intenzitou pomocí konkávního (vydutého) zrcadla. Například proslulý Haleův teleskop, umístěný na hoře Palomar, má zrcadlo o průměru 5 metrů a jeho dosah je několik miliard světelných let. Haleův teleskop sice vzbuzuje úctu, ale nyní jej zastiňuje jiný dalekohled, umístěný na vrcholu havajské hory Mauna Kea. Tento teleskop má zrcadlo o průměru 10 metrů a jeho schopnost soustřeďovat světlo čtyřikrát převyšuje možnosti teleskopu z Palomaru. Je ve skutečnosti tak výkonný, že „by jím bylo možné vidět z měsíce světlo jediné svíčky“, řekl Howard Keck, který je prezidentem nadace, která na podporu tohoto projektu darovala 70 miliónů dolarů.
Ale oči astronomů se již nějaký čas upírají na teleskop jiného druhu — Hubbleův vesmírný teleskop, jehož cena je 1,6 miliardy dolarů. Do vesmírného prostoru jej vynesl raketoplán a teleskop nyní krouží po oběžné dráze kolem Země ve výšce 500 kilometrů. Bez překážky, kterou představuje zemská atmosféra, má takový dosah, že jeho rozlišovací schopnost se teoreticky „dá srovnat s rozlišením pravého a levého světla na automobilu ze vzdálenosti 4 000 kilometrů“, uvádí časopis Sky & Telescope. Aby se docílil takový stupeň rozlišovací schopnosti, musí být povrch tohoto nevelkého zrcadla o průměru 2,4 metru vyroben s přesností na pět stotisícin milimetru. Avšak k rozčarování všech byly první obrazy, které Hubbleův teleskop vyslal k zemi, neostré, což byl zjevně důsledek nějaké závady při výrobě. „Z kalibračního zařízení se během výroby primárního zrcadla pro tento teleskop odlomil kousek umělohmotné vrstvy o velikosti zrnka písku,“ říká zpráva v časopise New Scientist. „V důsledku toho bylo zrcadlo vybroušeno příliš ploché.“ Ano, i nejvyspělejší technika může selhat.
Uvažovali jsme o teleskopu, který může přibližovat z velké dálky; podívejme se teď na mikroskop, který odhaluje věci zblízka. První mikroskopy nebyly nic víc než zvětšovací skla. V 17. století se začaly používat složené mikroskopy, ve kterých obraz z jedné čočky byl zvětšen další čočkou. První čočce se obvykle říká objektiv, neboť je namířena na pozorovaný objekt, a druhé čočce se říká okulár.
Aby mikroskop splnil svůj účel, musí být schopen z drobného předmětu soustředit co nejvíce světelných paprsků. Čočka objektivu má proto tvar polokoule, přibližně jako klobouček houby. Ačkoli její průměr měří méně než jeden milimetr, její povrch musí být vyroben s přesností na jednu tisícinu milimetru.
Je zajímavé, že schopnost pozorovat malé předměty nezáleží ani tolik na přístroji jako na světle, které předmět osvětluje. Čím je pozorovaný předmět menší, tím kratší musí být i vlnová délka osvětlení. Optické mikroskopy využívají viditelné světlo, a proto jimi lze pozorovat pouze předměty do velikosti přibližně deset tisícin milimetru. První mikroskopy pomohly vědcům odhalit, že rostliny se skládají z nespočetných buněk — to byl objev. Dnes mohou studenti biologie pomocí svých školních mikroskopů pronikat do říše bakterií a krevních buněk.
K pozorování ještě menších předmětů slouží elektronový mikroskop. Jak již naznačuje název, na předměty měřící pouhou milióntinu milimetru je směrován svazek elektronů s vysokou energií. Tak lze pozorovat viry a větší molekuly.
A co stavba atomu nebo jeho jádra? Aby vědci mohli odhalit tyto věci, museli atom „rozbít“ a pak výsledný obraz získali pomocí počítače. A tak v určitém slova smyslu jsou největšími a nejvýkonnějšími „mikroskopy“ urychlovače částic — cyklotrony, synchrotrony a jiné — velikost některých z nich se dá měřit i v kilometrech. Tyto přístroje vědcům umožnily alespoň zběžný pohled do tajemství sil, které působí na soudržnost celého vesmíru.
Náš obdivuhodný zrak
Ve srovnání s těmito složitými přístroji může někdo lidské oko považovat za naprosto obyčejné. Snad je jednoduché, ale určitě není obyčejné! Oko nemá problémy s různými barvami světla. Automatický zaostřovací systém, který používá, je rychlý a účinný. Předměty vidí trojrozměrně. Může rozlišovat milióny různých odstínů světla a barev. Může pozorovat a zaznamenávat nový obraz každou desetinu sekundy. A výčet by mohl pokračovat. Jakým podivuhodným výtvorem je lidské oko!
Jsme jistě vděční, že máme schopnost vidět — ať již s optickými pomůckami nebo bez nich. Zvětšující se poznání o malých i velkých věcech, viditelných i takových, které nelze běžně vidět, přineslo mnoho hmatatelných výsledků. Ale podivuhodný dar našeho zraku spolu s tím, co se dozvídáme pomocí znalostí optiky, by nám měly pomoci, abychom především viděli moudrost a lásku toho, kdo všechny tyto dary poskytl, našeho stvořitele, Jehovy Boha. — Žalm 148; Přísloví 20:12.
[Obrázky na straně 23]
Velkolepý pohled na mlhovinu v souhvězdí Orionu ve vzdálenosti 1 300 světelných let
[Podpisek]
NASA photo
Vložka: Jeden z teleskopů v Národní observatoři Kit Peak v Arizoně, USA
[Obrázky na straně 24]
Nahoře: Kořínek jediné šupinky z motýlího křídla; zvětšeno elektronovým mikroskopem
Dole vlevo: Při 40 000násobném zvětšení můžeme vidět ještě podrobněji důmyslnou konstrukci patrnou ze stavby všeho živého
Dole vpravo: Hookeův raný složený mikroskop z díla „Micrographia“ od Roberta Hookea, z roku 1665
[Podpisek]
Top and bottom left: Outdoor Pictures
[Podpisek]
Historical Pictures Service