عدسی اپتیکی

چشم وسیله‌ای عجیب است. این کاملاً به جاست که بینایی که مربوط به چشم می‌شود را ارزشمندترین حس از میان حواس شش‌گانه‌ی بشر بدانیم. دیدن و درک پیرامون از پس پنجره‌ی چشم والاترین قابلیتی است که یک اندام حسی می‌تواند داشته باشد و تأثیرگذارترین توانایی را به ما می‌بخشد. ساختمان چشم، ترکیبی و واقعاً پیچیده است. قسمت اصلی یک چشم، عدسیِ آن است که انعطاف پذیری دقیقی دارد و یک سری از عضلات آن را به حالت معلق نگاه داشته‌اند و همین عضلاتِ چسبیده به کناره‌های عدسی است که با انقباض و انبساط خود تحدب عدسی را بنا به ضرورت تغییر می‌دهند. با این کار انحنای سطوح عدسی‌ها به گونه‌ای تغییر می‌نماید که ما قادر خواهیم شد اشیاء را در فاصله‌های گوناگون، واضح ببینیم. این فاصله از چند سانتیمتری تا فاصله‌ی بی‌نهایت دور را دربر می‌گیرد. بر روی سطح جلویی عدسی پرده‌ی نسبتاً ضخیمی به نام عنبیه قرار دارد که وسط آن سوراخی وجود دارد. عضلات متصل به این پرده قادرند که قطر سوراخ وسط آن، که مردمک نام دارد، را کم و زیاد کنند. فایده‌ی این کار این است که در شرایطی که نور، شدید است مردمک کوچک می‌شود تا نور زیاد به عصب‌های بینایی آسیب نرساند و نیز به هنگام تاریکی با باز شدنش حداکثر نور ممکن به شبکیه برسد. نوری که از مردمک و عدسی رد می‌شود به دیواره‌ی عقبی کره‌ی چشم که شبکیه در آنجا قرار دارد می‌رسد. اپتیکِ چشم که از انحناهای عدسی و عنبیه و نیز عمق شبکیه و انحنای آن تشکیل می‌شود ایجاب می‌کند که تصویر شیئی که برای دیدن روی آن تمرکز می‌کنیم در صورتی که چشممان سالم باشد به صورت کامل و تیزی روی شبکیه تشکیل شود. در آنجا تقریباً یک‌صد و سی و دو میلیون سلول مربوط به اعصاب بینایی وجود دارند که برحسب شدت و ضعف نوری که به آنها برخورد کرده است تحریک می‌شوند و پیام‌های لازم را به مغز می‌فرستند و به این‌گونه ما قادر به دیدن آن شیئ خواهیم شد.
گرچه این اندامِ ظریف، عمل دیدن را برای ما ممکن می‌سازد اما بشر در فرایند پیشرفت‌های فن‌آورانه‌ی خویش نیاز داشت قابلیت رؤیت خود را از دو سو گسترش دهد یعنی هم بتواند کوچک‌ترین ذرات را در نزدیک‌ترین فاصله‌ها ببیند و هم بزرگ‌ترین اجرام سماوی را در دورترین فاصله‌های نجومی به نظاره‌ی خویش درآورد. او به علاوه می‌خواست از آن‌چه در این فواصل کوچک و بزرگ و در همه‌ی فواصل می‌بیند تصاویر واضح ماندگاری بگیرد تا سپس سرصبر آنها را مورد مطالعه قرار دهد. برای این کار، بشرِ ابزار ساز به ساخت قطعات اپتیکی پرداخت و در این میانه عدسی مصنوعی کلید گسترش بینایی او بود. عدسی مصنوعی تکه شیشه‌ی شفافی است که برای انحناهای مطلوب به طور مناسب تراش خورده است. هنگامی که بشر به اختراع عدسی‌های مصنوعی دست زد نادانسته از طبیعت تقلید می‌کرد. این اختراع، علم نورشناسی یا اپتیک را بنیان نهاد که گسترش آن خدمت والایی به پیشرفت بشریت کرد. لازم است گفته شود که قبل از تحلیل ریاضی، قانون عدسی‌ها از طریق تجربه و مشاهده استنتاج گردید. شاید شنیده باشید که گاهی آتش‌سوزی‌های غیر عمدی در بعضی مناطق جنگلی رخ می‌دهد. علت‌های مختلفی برای این امر وجود دارد که یکی از آنها این است که نور تابشی خورشید در فرایندی اپتیکی بر روی خس و خاشاک‌های قابل اشتعال متمرکز می‌شود و آنها را بر اثر گرمای متمرکز، شعله‌ور می‌سازد. این پروسه‌ی طبیعی در یک سیستم اپتیکی طبیعی که احتمال دارد اتفاقاً به وجود آمده باشد رخ می‌دهد. ممکن است مثلاً صمغ شفافی که از درختی به بیرون نفوذ کرده و نسبتاً سخت شده است هم‌چون ذره بینی بتواند در شرایطی، آفتاب عبوری از خود را روی برگ‌های خشک متمرکز کند و باعث اشتعال آنها شود. همین عمل احتمال دارد از طریق قطره‌ای آب شفاف آویزان از برگی که تقریباً حالتی کروی دارد انجام شود. این آب لزوماً از بارندگی نیست و می‌تواند بر اثر نشت از آوندهای گیاهی باشد. قطره‌های آب هم‌چون عدسی عمل می‌کنند. شاید دقت کرده باشید که قطره‌ای محدب که روی برگی واقع شده باشد قسمتی از برگ را که بر روی آن قرار گرفته است یزرگ‌تر نشان می‌دهد.
اگر بخواهیم یک عدسی بسازیم نخستین چیزی که نیاز داریم ماده‌ای شفاف در برابر نور است. این به این معناست که اگر احیاناً سیستمی اپتیکی داشته باشیم که برای کار روی تابش‌هایی از امواج الکترومغناطیس طراحی شده است که مرئی نیستند لزوماً عدسی‌های به کار رفته در آن برای نور مرئی شفاف نیستند و معمولاً تیره به نظر می‌رسند چون تنها برای طول موجی غیر مرئی شفاف‌اند. برای ساخت عدسی مرئی نیاز داریم که آن ماده‌ی شفاف را در ضخامت‌های گوناگون و در انحناهای مختلف شکل دهیم. همان‌طور که اشاره کردیم مواد شفاف طبیعی گوناگونی در طبیعت وجود دارد. اما عملاً نمی‌توان به نحو مطلوبی با این مواد برای ساخت سیستم‌های اپتیکی مطلوب کار کرد. عملاً هنگامی ساخت عدسی‌ها امکان پذیر شد که ماده‌ی سخت جامد شفاف یعنی شیشه اختراع شده بود. این ماده واجد همه‌ی خصوصیات لازم برای ساخت مطلوب عدسی بود. البته ساخت شیشه مربوط به هزاران سال پیش است، شاید در حدود شش هزار سال قبل. افراد نکته سنج و کنجکاوی در همان زمان‌ها متوجه تغییرات نسبتاً عجیبی که در عبور نور از شیشه‌های ناصاف آن زمان یا از مواد شفاف دیگری مثل آب دچار نور می‌شد گردیدند. بطلمیوس از نخستین کسانی بود که به مطالعه‌ی علمی این تغییرات پرداخت. در کتابِ حجیمِ اپتیکش او به شرح انکسار نور در حباب‌های شیشه‌ای می‌پردازد. در دوران طلایی تمدن اسلامی نیز فیزیک‌دانان مسلمان، به ویژه ابن هیثم، به تفصیل به اپتیک پرداختند و مطالب بدیعی در مورد اثر آینه‌های محدب و بزرگ‌نمایی عدسی‌های و حتی قانون شکست نور نوشتند. به هر حال اما همه‌ی این دانش‌ها علی‌رغم زیبایی‌های جذابشان کمتر جنبه‌ی کاربردی یافته بودند هرچند گزارش‌هایی مبنی بر استفاده از عینک طبی در دوره‌ی تمدن اسلامی وجود دارد. عملاً از قرن سیزدهم میلادی به بعد استفاده‌ی کاربردی و صنعتی از پدیده‌ی شکست نور شروع شد. در اروپا عدسی‌ها برای نخستین بار در نوعی عینک در قرن سیزدهم میلادی توسط دو نفر انگلیسی به کار گرفته شد. سپس راجر بیکن توانست نشان دهد که عدسی‌ها نه تنها می‌توانند تصاویر بزرگ‌تر تشکیل دهند بلکه قادرند تصاویر کوچک‌تر نیز تشکیل دهند. او از این ویژگی عدسی‌ها برای تصحیح اختلال‌های بینایی توسط عینک‌های مناسب استفاده نمود. در آن زمان شیشه‌گری که فن شکل دادن به شیشه توسط عملیات حرارتی است کاملاً رونق یافته بود و لذا صنعتگران قادر شده بودند عدسی‌های مختلف و مناسب و سفارشی بسازند و به این ترتیب استفاده از عینک برای تصحیح دید در اواخر قرن سیزدهم رایج گردیده بود. عدسی‌های عینک‌های آن زمان ضخیم و دارای انحناهای زیاد و بدقواره‌ای بودند. دانشمندان، تازه در قرن شانزدهم دریافتند که می‌توان از عدسی‌های ترکیبی با ضریب شکست‌های گوناگون برای تصحیح اختلالات بینایی استفاده کرد بدون این‌که عدسی چندان ضخیم و نافرم شود.
پیشرفت اپتیک مربوطِ به عدسی، فقط محدود به عینک نماند بلکه استفاده از آن در ساخت تلسکوپ و میکروسکوپ گسترش یافت. در اواخر قرن شانزدهم در هلند عینک سازی از عدسی‌های محدب و مقعر پشت سر هم استفاده کرد و متوجه شد که از درون چنین سیستمی با تنظیم فاصله‌ی بین آنها قادر است چیزهایی که در دوردست‌ها قرار دارند را بسیار بسیار بزرگ‌تر از آنی که با چشمان معمولی دیده می‌شود ببیند. به این ترتیب عملاً نخستین تلسکوپ ولادت یافته بود. ساخت این نوع تلسکوپ‌ها در سال‌های بعد در هلند ادامه یافت و عینک سازان با تلسکوپ‌های ساخت خود مردم را به تماشای مناظر دور دعوت می‌کردند. دانشمند طبیعت شناسی در ایتالیا به نام گالیله خبر این نوع تلسکوپ‌ها را شنید و خود تلسکوپ بهتری ساخت و اولین کسی بود که به وسیله‌ی آن به مشاهده‌ی اجرام سماوی پرداخت. در این مشاهدات بر نکات بسیاری وقوف پیدا کرد. مثلاً متوجه وجود لکه‌هایی در خورشید شد، هلال‌های سیاره‌ی ونوس را پیدا کرد و دید که سیاره‌های کیوان و مشتری دارای حلقه‌هایی به دور خویش می‌باشند. این یافته‌های بدیع و بی‌سابقه شور و هیجان بسیاری را در جوامع علمی آن زمان باعث شد آن چنان که بسیاری به اشتباه گالیله را مخترع تلسکوپ می‌دانستند. سپس فیزیک‌دان بزرگ قرن هفدهم و هجدهم، نیوتون، تلسکوپی بازتابی (آینه‌ای) ساخت و با آن آسمان را کاوید. چون در تلسکوپ او تنها از بازتاب و نه شکست برای بزرگنمایی استفاده می‌شد فاقد عیب رنگی تلسکوپ گالیله بود که بر اثر وجود ضریب شکست‌های مختلف برای طول موج‌های مختلف در تلسکوپ‌های شکستی پدید می‌آید.
گر چه از تلسکوپ می‌توان استفاده‌های زیادی برای مشاهده‌ی دقیق اشیاء دور دست موجود بر روی زمین نمود اما استفاده عمده‌ی تلسکوپ در مطالعات و رصدهای نجومی است. بیشترین دانسته‌های ما از سیارات و ستارگان و اجرام مختلف سماوی مثل دنباله‌دارها و نیز از سحابی‌ها و کهکشان‌ها از طریق مشاهدات انجام شده با تلسکوپ‌ها به دست آمده است. علاوه براین پیرو همین مشاهدات و مطالعات، دانش فراوانی در مورد ساختمان و تحولات زمینی که بر آن ساکنیم کسب کرده‌ایم. در همین مشاهدات بود که انسان متوجه شد که نه زمین و نه خورشید مرکز جهان نیستند و تنها ذره‌ای ناچیز در کل کائنات می‌باشند. گویا هرچه مشاهدات از دورن تلسکوپ بیشتر می‌شد جهان بزرگ‌تر می‌شد و منظومه‌ی ما کوچک‌تر.

از سوی دیگر از عدسی برای کشف دنیای بسیار کوچک‌ها استفاده شد. سیستمی که در آن از عدسی‌ها برای نیل به این هدف استفاده می‌شود میکروسکوپ نام دارد. سیستم اپتیکی میکروسکوپ متعاقب تلسکوپ توسعه یافت. از لحاظ کلی اپتیک این دو وسیله دارای شباهت‌هایی با یک‌دیکر می‌باشد. نخستین بار این گالیله بود که با انجام تغییراتی در ساختمان تلسکوپ موفق به ساختن یک میکروسکوپ گردید. مسأله‌ی اساسی در میکروسکوپ ساخت عدسی‌های کوچک با تحدب زیاد است که هر چه کوچک‌تر و تحدبشان بیشتر باشد از این قابلیت بیشتر برخوردار خواهند بود که به سوژه‌ی ریز نزدیک‌تر شده و تصویر بزرگ‌تری از آن ایجاد نمایند. به همین دلیل در اوایل، ساخت میکروسکوپ به عنوان یک تفنن تلقی می‌شد و هر سازنده‌ای که قادر یود عدسی‌های ریزتری را تراش و پولیش دهد در این زمینه موفق‌تر بود. در این زمینه باز هلندی‌ها پیش‌گام بودند. نخستین بار یک صنعت‌گر ظریف‌ساز هلندی با پشت‌کار فراوان توانست به تراش و پرداخت عدسی‌های محدبی به ضخامت سه چهار میلیمتر بپردازد. با میکروسکوپ‌های اولیه‌ای که او با استفاده از این عدسی‌ها ساخت می‌شد به دنیایی نگاه کرد که از فرط کوچکی تا آن زمان کسی آن را نظاره نکرده بود. او سوراخ‌های روی پوست، ساختمان بال حشرات و ازدحام باکتری‌های موجود در قطره‌ای آب را مشاهده نمود و تحت بررسی قرار داد. و چندی بعد او، یعنی لیونهوک، نخستین کسی شد که پیرو مشاهداتش از پشت وسیله‌ی اختراعیش، میکروسکوپ، توانست به تشریح گلبول خون بپردازد. او میکروسکوپ‌های متعددی ساخت اما نتوانست بزرگ‌نمایی آنها را به بیش از سه هزار برابر افزایش دهد. این فرد، دنیای بی‌کرانی این سوی دنیای بی‌کرانِ ستارگان را فرا روی بشریت نهاد. در واقع او پرده از جهان پنهانی که در دسترس مستقیم بشریت بود برداشت. در این جهانِ پنهان، سرچشمه‌ی بسیاری از مشکلات سلامتی انسان و دیگر جانداران نهفته بود. این وسیله‌ی بسیار ارزشمند به ویژه در پزشکی بسیار به کار آمد. تا قبل از آن، دانش پزشکی صرفاً بر مبنای علائم و با سعی و خطاها و استفاده از تجربیات اندوخته شده در دوران‌های مختلف برای درمان بیماری‌ها اقدام می‌نمود. اکنون این وسیله به پزشکان امکان داده بود که مستقیماً موجودات بسیار ریز مولد بیماری‌های متعددی را نظاره کنند و حرکات و عکس العمل‌هایشان در مقابل داروهای مختلف را مشاهده و بررسی نمایند. میکروب‌ها یا باکتری‌ها یا ویروس‌های باعث بیماری‌ها را شناسایی و برای مقابله‌ی مستقیم با آنها چاره‌اندیشی کنند. در واقع به وسیله‌ی میکروسکوپ بود که کُخ، عامل بیماری سل را و پاستور عامل بیماریِ هاری را و جونز سالک عامل فلج اطفال را کشف کردند و راه‌های مقابله با آنها را یافتند. استفاده از میکروسکوپ محدود به حوزه‌ی پزشکی نیست. میکروسکوپ وسیله‌ی‌لازم تحقیقاتی شیمی‌دانان، فیزیک‌دانان و زیست‌شناسان است. اکنون پیشرفت علم میکروسکوپیک چنان توسعه یافته است که برای نفوذ هر چه عمیق‌تر به دنیای ریز ذره‌ها دیگر میکروسکوپ‌های اپتیکی جواب‌گو نیستند و به جای آنها از میکروسکوپ‌های الکترونی استفاده می‌شود که بزرگ‌نمائی‌های تا بیش از سی‌صد هزار برابر را به دست می‌دهند. با استفاده از چنین میکروسکوپ‌هایی بشر حتی قادر شده است در مواردی به نظاره‌ی ابعاد مولکولی و شبکه‌های اتمی مواد بپردازد. کرچه در این نوع تلسکوپ‌ها از عدسی‌هایی مشابه با عدسی‌های اپتیکی استفاده نمی‌شود اما فرایند انحرافات و انحناهایی که به مسیرهای پرتوهای الکترونی تحت میادین کنترل شده‌ی الکتریکی و مغناطیسی داده می‌شود مشابه با انحرافات نوری حادث بر اثر عبور نور از عدسی‌ها و دیگر قطعات اپتیکی می‌باشد.