Optikken løfter sløret for den usynlige verden

ET MALERISK landskab, en glødende solnedgang, en smuk blomst — sådanne smukke synsindtryk fylder os med glæde. Vi spekulerer sjældent på hvordan synssansen fungerer, men vi er bestemt lykkelige for at vi kan se.

Øjet er forunderligt, og dog er det kun en brøkdel af alting vi kan se med det blotte øje. Ved hjælp af optiske instrumenter — lige fra simple forstørrelsesglas til teleskoper, mikroskoper, specialkameraer, spektroskoper og så videre — har optikken, som studiet af lyset kaldes, stærkt forøget vor viden om os selv og verden omkring os.

Måske kender du nogle af de nævnte optiske instrumenter, men ved du også hvordan de virker? Hvordan forstørrer et forstørrelsesglas for eksempel? Hvordan kan et instrument afsløre mikroorganismernes verden, mens et andet bringer universets umådelige dyb inden for synsvidde? Optikken har længe været et betagende studium.

Grundprincippet

Har du nogen sinde sat ild til et stykke papir ved at fokusere en solstråle på det med et brænd- eller forstørrelsesglas? Forstørrelsesglasset er det simplest tænkelige optiske instrument. Det består blot af én linse. Brændpunktet på papiret er faktisk et billede af solen gengivet med forstørrelsesglassets simple linse. Når al solstrålens energi koncentreres på et lille sted, udvikles der så meget varme at papiret begynder at brænde.

Andre almindelige linser er dem der tilsammen udgør et kameras objektiv. Som du sikkert ved, fokuserer det lyset fra et objekt så der dannes et billede på en fotografisk film. I hovedtræk virker linsen sådan: Den samler lyset og danner et billede i en bestemt størrelse og intensitet der kan betragtes eller fotograferes. Men hvordan kan linsen afbøje og fokusere lyset? Det skyldes det optiske fænomen man kalder for lysets brydning.

Hvad sker der når man dypper en pind i et vandbassin? Ser det ikke også ud som om pinden bukker dér hvor den rører vandspejlet? Denne almindelige erfaring viser at en lysstråle ikke fortsætter i en ret linje men afbøjes, når den passerer fra ét medium til et andet, for eksempel fra vand til luft, bortset fra når den rammer fladen vinkelret. Lysets brydning afhænger af mediet — luft, vand, olie, glas eller andet — og indfaldsvinklen, det vil sige vinklen mellem lysstrålen og en linje vinkelret på grænsefladen i brydningspunktet.

Betragt igen kameraobjektivet. Læg mærke til at frontlinsen ikke er flad men krum — eller konveks — som overfladen af en kugle. En lysstråle der passerer midt igennem linsen, vinkelret på dens overflade, vil ikke blive afbøjet. Indfaldsvinklen bliver imidlertid gradvis større ud mod linsekanten. Det betyder at lysets brydning som følge af linsens krumning også bliver større jo længere væk fra linsens centrum lyset rammer. Derfor vil alle stråler i et strålebundt fra samme punkt blive samlet, eller fokuseret, af den korrekt slebne linse i ét punkt, brændpunktet, og danne et billede.

Konstruktion af et objektiv

For at gøre sagen endnu vanskeligere afbøjes lys af forskellige farver eller bølgelængder forskelligt. Det er derfor et optisk prisme opløser sollyset i dets forskellige farver, så der dannes en regnbue. Lyset spaltes også i en simpel linse, og det forstørrede billede er derfor omgivet af forskelligfarvede rande.

Dette problem kan man tage højde for under linsefremstillingen. For eksempel kan man ændre lysets brydning ved at forandre linseglassets kemiske sammensætning. Ved at sammensætte et objektiv af forskellige slags glas der har forskellig krumning, kan optikeren minimere aberrationen og lysspaltningen.

Det er dog ikke nogen let sag at konstruere et sådant objektiv. Tidligere måtte teknikere foretage mange ugers og måneders møjsommelige udregninger, men i dag anvender man computere til at beregne de mulige variationer i lysstrålernes indfaldsvinkel, afstandene mellem linserne, hver enkelt linses krumning samt en række andre faktorer. Computeren er programmeret til at udvælge den kombination der gør systemet mest nøjagtigt.

Et godt kameraobjektiv kan bestå af fire til syv (eller flere) enkeltlinser med en overfladenøjagtighed på ned til en tusindedel af en millimeter. Hver enkelt linse må anbringes rigtigt i forhold til de andre. For at fange mest muligt lys må linserne have så stor diameter som praktisk muligt. Det er meget bekosteligt at konstruere et sådant objektiv, og det er derfor at kvalitetskameraer er så dyre. Et af kameraerne på USA’s rumfærger kan fra 240 kilometers højde fotografere jordbaserede objekter på 10 meter i diameter. Dette kamera har et objektiv med otte linser og koster ni millioner dollars.

Et glimt af det usynlige

Forestil dig engang hvad det kræver at designe, konstruere og afprøve et optisk system til et teleskop som vil give os mulighed for at spejde ud i det umådelige, ærefrygtindgydende univers. De fjerne stjerner er så lyssvage at de fleste af dem er usynlige for det blotte øje. Et teleskop samler så stor en lysmængde som muligt fra disse fjerne stjerner og fokuserer det i et brændpunkt så der fremkommer et synligt billede.

De fleste optiske stjernekikkerter samler de svage lysstråler ved hjælp af konkave spejle. Hovedspejlet på det berømte Hale-teleskop på Mount Palomar er for eksempel 5 meter i diameter og kan skue adskillige milliarder lysår ud i universet. Men det imponerende Hale-teleskop er nu blevet overgået af et 10-meter-teleskop på toppen af Mauna Kea på Hawaii. Dette teleskop kan samle fire gange så meget lys som teleskopet på Palomar. Det har så stor opløsningsevne at „man i det ville kunne se lyset fra et enkelt stearinlys i samme afstand som månen,“ siger Howard Keck, der er præsident for en stiftelse som har skænket 70 millioner dollars til projektet.

I nogen tid har astronomernes interesse været rettet mod et andet teleskop, nemlig Hubble-rumteleskopet, som har kostet 1,6 milliarder dollars. Dette teleskop blev opsendt med en rumfærge og kredser rundt om Jorden i en bane 500 kilometer ude i rummet. Uden jordatmosfærens generende turbulens skulle det i teorien have så stor opløsningsevne at det „svarer til at man på 4000 kilometers afstand kunne skelne en bils højre forlygte fra dens venstre“, skriver bladet Sky & Telescope. For at opnå så stor opløsning måtte overfladen på dets spejl med en diameter på 2,4 meter være nøjagtig ned til en femhundredtusindedel af en millimeter. Til alles store skuffelse var de første billeder Hubble-teleskopet sendte tilbage slørede, åbenbart som følge af en fabrikationsfejl. „Et fragment på størrelse med et sandskorn brækkede af en syntetisk film på et kalibreringsapparat under fremstillingen af teleskopets hovedspejl. Derfor blev spejlet slebet for fladt,“ oplyser bladet New Scientist. Ja, højteknologi er sårbar!

Efter at have set på de langtrækkende teleskoper vil vi nu vende os mod mikroskoperne. De første mikroskoper var ikke stort andet end forstørrelsesglas. I det 17. århundrede fremstilledes kompound-mikroskopet, det sammensatte mikroskop, hvor billedet fra en linse yderligere forstørres af en anden linse. Den første linse kaldes almindeligvis for objektivet fordi den er rettet mod det objekt der betragtes. Den anden linse kaldes for okularet.

For at mikroskopet kan fungere må det kunne samle så mange lysstråler som muligt fra den betragtede genstand. Derfor må objektivlinsen være delvis halvkugleformet. Linsen er måske kun en millimeter eller mindre i diameter, men dens overflade må være nøjagtig ned til en tusindedel af en millimeter.

Interessant nok er observation af små objekter ikke så afhængig af instrumentet som af det lys objektet belyses med. Jo mindre det betragtede objekt er, jo mindre må bølgelængden af det illuminerende lys være. Optiske mikroskoper anvender synligt lys, hvilket betyder at den mindste detalje der kan betragtes er i størrelsesordenen en titusindedel af en millimeter i diameter. De tidlige mikroskoper gjorde det muligt for videnskabsfolkene at gøre den epokegørende opdagelse at planter består af en mængde celler. I dag kan biologistuderende få indblik i bakteriernes og blodcellernes verden via deres mikroskoper i klasseværelset.

For at kunne iagttage endnu mindre objekter må man tage elektronmikroskoper i anvendelse. I stedet for lys rettes en højenergielektronstråle mod objekter på ned til en milliontedel af en millimeters størrelse, deriblandt virus og store molekyler.

Kan man få strukturen af et atom eller af dets kerne at se? For at det skal kunne lade sig gøre må videnskabsmændene „sprænge“ atomet og tegne et billede af udfaldet ved hjælp af computer. Så på en måde er de største „mikroskoper“ partikelacceleratorerne — cyklotroner, synkrotroner og andre — hvoraf nogle har en udstrækning på flere kilometer. Disse instrumenter giver videnskaben et glimt af de skjulte kræfter der binder universet sammen.

Den forunderlige synssans

Man skulle måske tro at det menneskelige øje var primitivt sammenlignet med disse komplicerede instrumenter. Måske er det simpelt, men det er langtfra primitivt! Brydningen i de forskellige farver lys volder ikke øjet problemer. Dets automatiske fokuseringssystem er hurtigt og effektivt. Øjet kan se i tre dimensioner. Det kan skelne mellem millioner af forskellige lysstyrker og farvenuancer. Det kan opfange ti billeder i sekundet. Og sådan kunne man blive ved. Ja, det menneskelige øje er et sandt mesterværk!

Vi kan være taknemmelige for at vi kan se — hvad enten vi tager optiske instrumenter til hjælp eller ej! Den forøgede viden om det store og det små, det synlige og det usynlige, har åbnet mange muligheder. Men den fantastiske gave som synssansen er, og det som kan læres gennem optikken, burde hjælpe os til at erkende hvor stor visdom og kærlighed disse tings Skaber, Jehova Gud, besidder. — Salme 148; Ordsprogene 20:12.

[Illustrationer på side 23]

Den smukke Orion-tåge, 1300 lysår fra jorden

[Kildeangivelse]

Foto: NASA

Indsat: En af stjernekikkerterne i Kitt Peak-observatoriet i Arizona

[Illustrationer på side 24]

Øverst: Bunden af et enkelt skæl fra vingen af et møl, forstørret med et elektronmikroskop

Nederst til venstre: Ved 40.000 ganges forstørrelse ses endnu flere detaljer, hvilket viser hvor kompliceret alt levende er opbygget.

[Kildeangivelse]

Øverst og nederst til venstre: Outdoor Pictures

Nederst til højre: Robert Hookes sammensatte mikroskop fra hans „Micrographia“, 1665

[Kildeangivelse]

Historical Pictures Service