Visivyoweza Kuonwa kwa Macho Matupu

MAVUMBI membamba huelea hewani pasipo kuonekana. Lakini mwali wa jua unapopenya dirishani, mavumbi hayo yasiyoonekana awali yaanza kuonekana ghafula. Macho ya binadamu yaweza kuona mavumbi hayo kwa msaada wa mwali huo mkali wa mwanga.

Hebu fikiria pia mwanga unaoonekana, ambao kwa macho matupu huonekana kuwa mweupe au bila rangi yoyote. Ni nini kinachotukia mwanga wa jua unapopenya matone ya maji kwa pembe barabara? Maji hutenda kama mche, hutokeza upinde wa mvua wenye rangi maridadi!

Kwa kweli, vitu vilivyo karibu nasi hurudisha mwanga wenye masafa mbalimbali ambayo sisi huona yakiwa rangi. Kwa mfano, nyasi ya rangi ya kijani-kibichi haitokezi mwanga wa kijani-kibichi, badala yake, hufyonza masafa yote ya mwanga uonekanao isipokuwa wa rangi ya kijani-kibichi. Nyasi hurudisha mwanga wa kijani-kibichi machoni mwetu. Kwa hiyo, twaiona nyasi ikiwa na rangi ya kijani-kibichi.

Kuona kwa Msaada wa Vifaa Vilivyotengenezwa na Mwanadamu

Katika miaka ya karibuni vitu vingi tusivyoweza kuona kwa macho matupu vimeweza kuonwa kwa msaada wa vifaa vya kisasa. Twaweza kutazama kwa hadubini tone la maji lionekanalo kuwa bila uhai na kugundua kwamba limejaa viumbe mbalimbali wanaosonga. Na unywele uonekanao kuwa laini kwa macho matupu, huonekana ukiwa umechanika-chanika na wenye kukwaruza. Hadubini zenye nguvu zaidi zaweza kukuza vitu zaidi ya mara milioni moja, ni sawa na kukuza stempu ya posta iwe na ukubwa wa nchi ndogo!

Siku hizi, watafiti waweza kuona picha ndogo za visehemu vinavyotoshana na atomu kwa kutumia hadubini zenye uwezo mkubwa zaidi. Uvumbuzi huo umewawezesha kuona vitu ambavyo havikuwa vikionwa na mwanadamu kwa macho matupu hadi majuzi.

Na kwa upande mwingine, twaweza kutazama angani usiku na kuona nyota. Nyota ngapi? Kwa macho matupu twaweza kuona maelfu machache tu. Lakini watu walianza kuona nyota zaidi kwa kutumia darubini iliyovumbuliwa takriban miaka 400 iliyopita. Kisha, katika miaka ya 1920, darubini yenye nguvu zaidi iliyowekwa katika Kituo cha Kuangalilia Angani cha Mlima Wilson ilifunua kwamba kuna magalaksi mengine yenye nyota nyingi sana mbali na galaksi yetu. Leo, kwa kutumia mashine tata za kuangalilia angani, wanasayansi wanakadiria kwamba kuna makumi ya mabilioni ya magalaksi, mengi yakiwa na mamia ya mabilioni ya nyota!

Ajabu ni kwamba darubini zimethibitisha kuwa mabilioni ya nyota zionekanazo kuwa Kilimia inayoshabihi maziwa kwa sababu inadhaniwa kuwa zimesongamana sana, zimetenganishwa na umbali mkubwa kupindukia. Vivyo hivyo, hadubini zenye nguvu zimewezesha macho matupu kuona kwamba vitu vionekanavyo kuwa mango, kumbe, vimefanyizwa kwa atomu ambazo huwa na nafasi tupu.

Vitu Vidogo Isivyowazika

Kitu kidogo sana kiwezacho kuonwa kwa hadubini ya kawaida kina zaidi ya atomu bilioni kumi! Lakini, mnamo mwaka wa 1897 iligunduliwa kwamba atomu ina elektroni ndogo mno zinazozunguka. Punde si punde, iligunduliwa kwamba kiini cha atomu kinachozungukwa na elektroni kina chembe kubwa—nutroni na protoni. Atomu au elementi mbalimbali 88 za kiasili zilizomo duniani, kwa kawaida zinatoshana, lakini zina uzani mbalimbali kwa sababu kila atomu ina idadi inayoongezeka ya chembe hizo tatu za msingi.

Elektroni—atomu ya hidrojeni ina elektroni moja—huzunguka kiini cha atomu mara bilioni kadhaa kila baada ya sehemu moja ya milioni ya sekunde, na hivyo huipa atomu umbo na kuifanya itende kama mango. Elektroni 1,840 hivi zatoshana na protoni au nutroni moja. Atomu nzima ni kubwa mara 100,000 hivi kuliko protoni na nutroni!

Ili kufahamu utupu wa atomu, jaribu kuwazia umbali wa kiini cha atomu ya hidrojeni kutoka kwa elektroni inayokizunguka. Ikiwa kiini hicho chenye protoni moja kingetoshana na mpira wa tenisi, basi elektroni inayokizunguka ingekuwa umbali wa takriban kilometa tatu!

Ripoti moja kuhusu sherehe ya ukumbusho wa miaka mia moja tangu elektroni igunduliwe ilisema: “Ni watu wachache sana wanaosita kusherehekea kitu ambacho hakuna mtu aliyewahi kukiona, kisichokuwa na ukubwa halisi japo kina uzani unaoweza kupimwa, na chenye chaji ya umeme—tena kinachozunguka kama pia. . . . Leo hakuna mtu awaye yote anayebisha kuwapo kwa vitu tusivyoweza kamwe kuona.”

Hata Vitu Vidogo Mno

Sasa wanasayansi wanaweza kuchunguza ndani ya kiini cha atomu kwa msaada wa mashine za kuongeza mwendo wa atomu, zenye uwezo wa kuvurumisha chembe kuelekeana. Tokeo ni kwamba, habari imeandikwa kuhusu chembe nyingi zenye majina ya kiajabu-ajabu—positroni, fotoni, mesoni, quark, gluoni na kadhalika. Zote hizo hazionekani, hata kwa hadubini yenye nguvu zaidi. Lakini ishara za kuwapo kwake huonekana kwa kutumia vifaa kama vile chombo kilichojaa mvuke cha kupimia chembe zenye chaji, chombo cha kutafutia nyendo za chembe zenye chaji kwa kutoa mikondo ya povu na vihesabio vya mmeto.

Sasa watafiti huona vitu ambavyo havikuonekana awali. Na hivyo, wanafahamu umuhimu wa zile wanazoamini ni kani kuu nne—nguvu ya uvutano, kani ya sumaku-umeme, na kani mbili za nyukilia ziitwazo “kani yenye nguvu” na “kani dhaifu.” Wanasayansi fulani hutafuta ile wanayoiita “nadharia inayohusu kila kitu,” ambayo wanatumaini itatoa maelezo sahili juu ya ulimwengu mzima, kuanzia vitu vionekanavyo kwa macho matupu hadi vile vionekanavyo kwa hadubini.

Twaweza kujifunza nini tuonapo vitu visivyoonekana kwa macho matupu? Na wengi wamefikia mkataa gani kwa kutegemea mambo waliyojifunza? Makala zifuatazo zitajibu maswali hayo.

[Picha katika ukurasa wa 3]

Picha za atomu za nikeli (juu) na atomu za platini

[Hisani]

Courtesy IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center

Kuchunguza Visivyoonekana—Hufunua Nini?

WANADAMU hugundua nini wanapotumia uvumbuzi mpya ili kuona vitu ambavyo hawakuwa wakiona? Kufanya hivyo kwaweza kuwasaidia kufahamu kwa hakika vitu ambavyo havikujulikana awali.—Ona sanduku lililo chini.

Hapo kale wengi waliamini kwamba dunia ni kitovu cha ulimwengu mzima. Lakini kwa kutumia darubini ilithibitishwa kwamba sayari zote, pamoja na dunia, huzunguka jua barabara. Hivi karibuni, tangu kuvumbuliwa kwa hadubini zenye nguvu sana, wanadamu wamechunguza atomu na wameona jinsi ambavyo atomu fulani huungana na atomu nyingine na kufanyiza molekuli.

Fikiria mfanyizo wa molekuli ya maji, dutu muhimu kwa uhai. Kwa sababu ya maumbo yake, atomu mbili za hidrojeni huungana na atomu moja ya oksijeni kwa njia ya pekee na kutokeza molekuli ya maji—tone moja huwa na mabilioni ya molekuli! Twaweza kujifunza nini kwa kuchunguza molekuli ya maji na kuona tabia yake chini ya hali mbalimbali?

Maajabu ya Maji

Ijapokuwa kila tone la maji huonekana kuwa sahili mno, maji ni dutu tata kupindukia. Hata Dakt. John Emsley, mwandikaji wa sayansi katika Imperial College, London, Uingereza, alisema kwamba ni “mojawapo za kemikali zinazochunguzwa mno, lakini bado haijaeleweka.” Gazeti New Scientist lilisema: “Maji ndiyo kioevu kijulikanacho sana Duniani, lakini pia chenye kuduwaza zaidi.”

Dakt. Emsley alieleza kwamba licha ya muundo sahili wa maji, “tabia yake ni tata mno kupita vitu vyote.” Kwa mfano, alisema: “H₂0 yapasa kuwa gesi, . . . lakini ni kioevu. Isitoshe, inapoganda . . . , barafu au hali yake ya mango, huelea badala ya kuzama,” kama ambavyo ingetarajiwa. Kuhusu tabia hiyo isiyo ya kawaida, Dakt. Paul E. Klopsteg, aliyepata kuwa msimamizi wa Shirika la Marekani la Maendeleo ya Sayansi, alisema hivi:

“Yaonekana hali hiyo imebuniwa ili kudumisha hai viumbe wa majini kama vile samaki. Hebu wazia kinachoweza kutukia endapo maji yangefikia kiwango cha kuganda, bila kuelea. Maji yangeendelea kuganda na barafu ingejaza ziwa lote, na kuangamiza viumbe wote au karibu wote wa majini.” Dakt. Klopsteg alisema kwamba tabia hiyo ajabu ya maji “huthibitisha kwamba kuna mtu mwenye akili sana na mwenye kusudi anayeongoza ulimwengu mzima.”

Kwa mujibu wa gazeti New Scientist, watafiti wanafikiri wanajua kinachosababisha tabia hiyo ajabu ya maji. Wamebuni nadharia ya kwanza ambayo hueleza kwa usahihi mtanuko wa maji. Watafiti waligundua kwamba “tabia hiyo ajabu inasababishwa na nafasi zilizo kati ya atomu za oksijeni katika mpangilio wa molekuli za maji na barafu.”

Je, hilo halistaajabishi? Molekuli ionekanayo sahili sana yawakanganya wanadamu. Na kumbuka kuwa maji huchangia sehemu kubwa ya uzani wa miili yetu! Utazamapo maajabu ya molekuli hii yenye atomu tatu zenye elementi mbili tu, je, wewe huyaona kuwa, “uthibitisho wa kuwapo kwa mtu mwenye akili sana na mwenye kusudi”? Na bado molekuli ya maji ni ndogo sana na sahili mno ilinganishwapo na molekuli nyingine nyingi.

Molekuli Tata Kupindukia

Baadhi ya molekuli zimefanyizwa na maelfu ya atomu katika nyingi za elementi 88 za kiasili zilizo duniani. Kwa mfano, molekuli ya DNA (ufupisho wa deoxyribonucleic acid), yenye habari za urithi za kila kiumbe, yaweza kuwa na mamilioni ya atomu ya elementi kadhaa!

Licha ya utata wake wa kustaajabisha, molekuli ya DNA ina kipenyo cha milimeta 0.0000025, ni ndogo mno kiasi cha kutoonekana ila kwa hadubini yenye nguvu. Ni katika mwaka wa 1944 tu ndipo wanasayansi walipogundua kwamba DNA huamua tabia anazorithi mtu. Ugunduzi huo ulizua utafiti mkubwa wa molekuli hiyo iliyo tata kupindukia.

Na DNA na maji ni mbili tu kati ya molekuli nyingi mbalimbali zinazofanyiza vitu. Na kwa kuwa vitu vilivyo hai na visivyo hai vina molekuli nyingi za aina ileile, je, tukate kauli kwamba vyatofautiana kidogo tu?

Kwa muda mrefu, watu wengi walifikiri ndivyo ilivyo. “Tumaini la kwamba ujuzi zaidi wa biokemia ungeziba pengo hilo lilielezwa waziwazi na wataalamu wengi katika miaka ya 1920 na 1930,” akaeleza mtaalamu wa mikrobiolojia Michael Denton. Baada ya muda, waligundua nini?

Uhai Ni wa Pekee Sana na Hauna Kifani

Ijapokuwa wanasayansi walitarajia kuona mabadiliko ya hatua kwa hatua kati ya vitu vilivyo hai na vile visivyo hai, Denton alisema kwamba kuwapo kwa tofauti dhahiri “kulithibitishwa hatimaye baada ya uvumbuzi ulioleta mabadiliko makubwa ya biolojia ya molekuli mapema miaka ya 1950.” Denton aliendelea kusema hivi kuhusu jambo hakika ambalo wanasayansi wametambua:

“Mbali na kujua kwamba kuna pengo kati ya vitu vilivyo hai na visivyo hai, tumejua pia kwamba pengo hilo ni kubwa mno na la msingi miongoni mwa tofauti zote zilizopo katika uumbaji. Kuna tofauti kubwa isivyowazika baina ya chembe iliyo hai na mfumo ulio tata zaidi usio na uhai, kama vile fuwele au theluji.”

Hilo halimaanishi kwamba kubuni molekuli ni rahisi. Kitabu Molecules to Living Cells chaeleza kwamba “mpangilio wa misingi midogo ya molekuli ni tata pia.” Hata hivyo, chaongezea kwamba kubuni molekuli hizo “ni sahili mno ilinganishwapo na utaratibu uliofuata wa kubuni chembe-hai ya kwanza.”

Chembe zaweza kuishi ama zikiwa viumbe walio huru, kama vile bakteria, au zaweza kuishi katika viumbe wengine wenye chembe nyingi, kama mwanadamu. Chembe 500 za wastani zatoshana na nukta iliyo mwishoni mwa sentensi hii. Si ajabu kwamba utendaji wa chembe hauwezi kuonwa kwa macho matupu. Hivyo basi, sisi huona nini tuchunguzapo kwa hadubini chembe moja katika mwili wa mwanadamu?

Chembe—Ilibuniwa au Ilizuka kwa Nasibu?

Kwanza, mtu hana budi kustaajabia utata wa chembe-hai. Mwandikaji mmoja wa sayansi alisema: “Ukuzi wa kawaida wa hata chembe-hai iliyo sahili zaidi huhitaji makumi ya maelfu ya utendeano taratibu wa kemikali.” Akauliza: “Utendeano 20,000 unaweza kuelekezwaje sambamba ndani ya chembe ndogo mno?”

Michael Denton alilinganisha chembe-hai iliyo ndogo kupita zote na “kiwanda kidogo sana chenye maelfu ya mashine tata za molekuli zilizobuniwa kwa ustadi mno, zenye jumla ya atomu milioni mia moja elfu, na tata zaidi ya mashine yoyote iliyotengenezwa na mwanadamu na hazina kifani kabisa miongoni mwa vitu visivyo hai.”

Wanasayansi huduwazwa na utata wa chembe, kama gazeti The New York Times la Februari 15, 2000, lilivyosema: “Kadiri wanabiolojia wanavyofahamu chembe-hai, ndivyo ionekanavyo vigumu zaidi kuelewa kila jambo wanalofanya. Chembe ya wastani ya mwanadamu ni ndogo mno kuweza kuonekana, na bado chembe 30,000 kati ya 100,000 za urithi yaelekea zinatenda kazi kila wakati, zikitekeleza shughuli za kawaida katika chembe au kuitikia ujumbe kutoka kwa chembe nyingine.”

Gazeti Times liliuliza: “Mashine iliyo ndogo mno na tata mno hivyo yaweza kuchunguzwaje? Hata wakijitahidi sana kuelewa kikamili chembe moja ya mwanadamu, bado watahitaji kuchunguza angalau chembe 200 za aina mbalimbali zilizo katika mwili wa mwanadamu.”

Gazeti Nature, katika makala yenye kichwa “Mashine Halisi za Uumbaji,” liliripoti uvumbuzi wa mota ndogo mno ndani ya kila chembe ya mwili. Mota hizo huzunguka ili kufanyiza adenosine triphosphate, ambayo ni chanzo cha nishati ya chembe. Mwanasayansi mmoja aliwaza hivi: “Twaweza kutimiza nini tujifunzapo kubuni na kutengeneza mifumo ya mashine za molekuli inayofanana na mifumo ya molekuli iliyo katika chembe?”

Hebu fikiria uwezo wa kuongezeka wa chembe! Kiasi cha habari kilicho katika DNA ya chembe moja tu mwilini mwetu chaweza kujaza takriban kurasa milioni moja zenye ukubwa kama wa ukurasa huu! Isitoshe, kila mara chembe inapojigawa na kutokeza nyingine mpya, habari hiyohiyo huhamishiwa chembe hiyo mpya. Unafikiri kila chembe—chembe zote trilioni 100 zilizo mwilini mwako—ilipataje habari hizo zote? Je, ni kwa nasibu, au zilitokana na Mbuni Mkuu?

Huenda ukawa umefikia mkataa uliofikiwa na mwanabiolojia Russell Charles Artist. Alisema hivi: “Tusiposababu na kukiri kwamba chembe ilibuniwa na mtu mwenye akili, tutakabili magumu makubwa mno, hata tusiyoweza kutatua, tunapojaribu kuchunguza chanzo cha [chembe] na hata utendaji wake.”

Utaratibu Bora wa Vitu

Miaka mingi iliyopita, Kirtley F. Mather, alipokuwa profesa wa jiolojia katika Chuo Kikuu cha Harvard, alikata shauri hivi: “Hatuishi kwenye ulimwengu ulioibuka kwa nasibu au ghafula, bali unaofuata Sheria na Utaratibu. Usimamizi wake unategemea kabisa akili na unastahili kustahiwa kabisa. Fikiria utaratibu bora kabisa wa asili wa hisabati ambao unatuwezesha kuipa kila elementi ya kemikali nambari za atomu zinazofuatana.”

Acheni tupitie kwa ufupi “utaratibu [huo] bora kabisa wa asili wa hisabati.” Baadhi ya elementia walizojua watu wa kale ni dhahabu, fedha, shaba nyekundu, bati, na chuma. Aseniki, bismuthi, na antimoni zilitambuliwa na waalkemia katika Enzi za Kati, na baadaye elementi nyingi zaidi ziligunduliwa katika miaka ya 1700. Mnamo mwaka wa 1863 spektraskopu, inayoweza kubainisha mwungano wa pekee wa rangi utokao kwa kila elementi, ilitumiwa kutambulisha indiamu, elementi ya 63 kugunduliwa.

Wakati huo mwanakemia Mrusi Dmitry Ivanovich Mendeleyev alikata kauli kwamba elementi hizo hazikuumbwa kihobelahobela. Hatimaye, katika Machi 18, 1869, makala yake “Muhtasari wa Mpangilio wa Elementi” ilisomewa Chama cha Kemikali cha Urusi. Alisema hivi katika muhtasari huo: ‘Ningependa kuanzisha mfumo fulani ambao hautegemei nasibu bali kanuni fulani mahususi na sahihi.’

Katika makala hiyo maarufu, Mendeleyev alitabiri hivi: “Bado twapaswa kutarajia kugundua elementi nyingi sahili zisizojulikana; kwa mfano, zile zinazofanana na alumini na silikoni, elementi zenye uzani wa atomu wa 65 hadi 75.” Mendeleyev aliacha mapengo kwa ajili ya elementi mpya 16. Alipoombwa athibitishe utabiri wake, alijibu: “Sihitaji kuuthibitisha. Sheria za asili hufuata kawaida ileile tofauti na sheria za sarufi.” Akaongezea: “Nadhani kwamba elementi zangu zisizojulikana zitakapogunduliwa, watu wengi zaidi watatukumbuka.”

Ndivyo ilivyokuwa! “Miaka 15 iliyofuata,” chaeleza kichapo Encyclopedia Americana, “ugunduzi wa galiamu, skandiamu na gemaniamu, zenye tabia sawa na zile zilizotabiriwa na Mendeleyev, zilithibitisha usahihi wa jedwali ya elementi na umashuhuri wa mtungaji wake.” Mwanzoni mwa karne ya 20, elementi zote zilizopo zilikuwa zimegunduliwa.

Kwa wazi, sawa na alivyosema mtafiti wa kemia Elmer W. Maurer, “mpangilio huu maridadi haukuibuka tu kwa nasibu.” Profesa wa kemia John Cleveland Cothran alisema hivi kuhusu uwezekano wa kwamba utaratibu na upatano wa elementi ulizuka kwa nasibu: “Uwezekano huo ulifutwa kabisa na ugunduzi wa baadaye wa elementi ambazo [Mendeleyev] alikuwa ametabiri awali, zenye tabia ambazo zinakaribiana kabisa na zile zilizotabiriwa naye. Sheria yake mashuhuri haiitwi kamwe ‘Nasibu ya Elementi.’ Badala yake inaitwa ‘Sheria ya Elementi.’”

Uchunguzi makini wa elementi na namna zinavyoungana ili kufanyiza kila kitu ulimwenguni kulimfanya mwanafizikia maarufu P.A.M. Dirac, aliyekuwa profesa wa hisabati katika Chuo Kikuu cha Cambridge, aseme: “Labda mtu aweza kusimulia hali hiyo kwa kusema kwamba Mungu ni mwanahisabati mahiri sana, Naye alitumia hisabati ya kiwango cha juu sana alipoumba ulimwengu.”

Kwa kweli inavutia mno kuchunguza vitu vidogo kupindukia kama atomu, molekuli, chembe-hai na pia magalaksi makubwa mno ya nyota yasiyoweza kuonekana kwa macho matupu kwa sababu ya umbali wake! Uchunguzi huo humnyenyekeza mtu. Wewe binafsi huathiriwaje? Vitu hivyo hukudhihirishia nini? Je, wewe waona zaidi ya mambo yanayoonekana kwa macho matupu?

[Maelezo ya Chini]

[Sanduku/Picha katika ukurasa wa 5]

Husonga Kasi Mno kwa Jicho Kuona

Kwa kuwa farasi hukimbia kasi mno, watu katika karne ya 19 walibishana iwapo kuna wakati ambapo kwato zake zote huwa hewani wakati uleule. Hatimaye, mwaka wa 1872, Eadweard Muybridge alianza kufanya majaribio ya kupiga picha ambayo yalitatua suala hilo. Alibuni mbinu ya kupiga picha za kwanza kabisa za sinema zinazoonyesha mwendo wa kasi.

Muybridge alipanga kamera 24 kwa foleni kukiwa na nafasi ya kadiri kati yake. Alifunga uzi kwenye kila kilango cha kamera, na kuzivusha katika njia ya farasi, hivi kwamba farasi walipokimbia waligonga nyuzi hizo na kupiga picha. Uchunguzi wa picha zilizopigwa ulifunua kwamba kuna nyakati ambapo farasi alikuwa hewani.

[Hisani]

Courtesy George Eastman House

[Picha katika ukurasa wa 7]

Kwa nini barafu huelea badala ya kuzama?

[Picha katika ukurasa wa 7]

Japo kipenyo cha molekuli ya DNA ni milimeta 0.0000025, habari zilizomo zaweza kujaza kurasa milioni moja

[Hisani]

Picha ya DNA iliyochorwa kwa kompyuta: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Picha katika ukurasa wa 8]

Katika kila chembe mwilini—chembe zote trilioni 100—makumi ya maelfu ya utendeano wa kemikali hutukia kwa utaratibu

[Hisani]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Picha katika ukurasa wa 9]

Mendeleyev, mwanakemia Mrusi alikata shauri kwamba elementi hazikuumbwa kihobelahobela

[Hisani]

Courtesy National Library of Medicine