ออพติก

ยานสำรวจอวกาศโรเซตตาใช้เวลาสิบปีกว่าจะไปถึงดาวหาง Tschurjumow-Gerassimenko ซึ่งอยู่ห่างไกลจากโลก 500 ล้านกิโลเมตรในวันที่ 12 พฤศจิกายน ค.ศ.2014 ดาวหางดวงนี้มีชื่อเสียงเพราะหางของมันมีลักษณะพิเศษ แต่คราวนี้ นักวิทยาศาสตร์สนใจแก่นของมันที่เป็นน้ำแข็ง

นักวิทยาศาสตร์สถาบันมักซ์-พลังก์พัฒนากล้องพิเศษบนยานสำรวจอวกาศให้ส่งภาพที่น่าตื่นตามายังโลก การส่งข้อมูลผ่านอวกาศใช้เวลา 28 นาที 20 วินาที ไม่เคยมีใครเห็นรายละเอียดขนาดนั้นมาก่อนเลย แม้ว่าจะใช้กล้องโทรทรรศน์ดีที่สุดจากโลกก็ตาม

ยานสำรวจอวกาศโรเซตตาหน้าดาวหาง Tschurjumow-Gerassimenko (รูปคอลลาจ)

ขอบเขตการมองเห็นอยู่ตรงไหน ปีค.ศ.1873 แอนสท์ อับเบอ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันคำนวณว่ากล้องจุลทรรศน์แสงจะแสดงเฉพาะรายละเอียดที่อยู่ห่างกันอย่างน้อยเท่ากับความยาวคลื่นครึ่งหนึ่งของแสงที่ใช้ ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงเชื่ออยู่นานว่าความคมชัดของกล้องจุลทรรศน์แสงไม่มีทางละเอียดกว่า 200 นาโนเมตร

แต่มีคนก้าวข้ามขีดจำกัดนั้นได้ในปีค.ศ.1999 กล้องจุลทรรศน์แบบ STED ที่พัฒนาโดยชเตฟาน เฮล นักฟิสิกส์จากเมืองเกิตทิงเงนแสดงให้เห็นรายละเอียดที่มีขนาดไม่กี่นาโนเมตร เคล็ดลับคือ นำโครงสร้างจิ๋วมาฉายแสง แล้วปิดส่วนหนึ่งของแสงที่ปล่อยออกมาด้วยลำแสงพิเศษที่สอง เป็นการขัดขวางไม่ให้โครงสร้างที่อยู่ใกล้กันสะท้อนแสงใส่กันมากเกินไป

นาโนเมตรมีขนาดเท่ากับ 0,000000001 เมตร กล้องจุลทรรศน์แบบ STED จึงมีประสิทธิภาพกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบแสงเป็นสิบ-ร้อยเท่า
» วิดีโอ: STED – ส่องโลกนาโน

โครงสร้างโปรตีนในเซลล์ จากกล้องจุลทรรศน์แบบ STED

โครงสร้างโปรตีนในเซลล์ จากกล้องจุลทรรศน์แบบปกติ

เราคิด รู้สึกและเรียนรู้อย่างไร ปัญหานี้ตอบได้ยากหากเราเข้าใจโครงสร้างและการทำงานของสมองอย่างละเอียด จึงเป็นเรื่องจำเป็นที่มองให้เห็นเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์และกิจกรรมของเซลล์ ปลายทศวรรษ 1980 วินฟรีด เดงค์ นักชีวฟิสิกส์พัฒนากล้องจุลทรรศน์แสงต่อจนกลายเป็นกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์สองโฟตอน แสงเลเซอร์จะส่งโฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของแสงเข้าไปในวัตถุทดลองให้มันไปซ้อนทับกันและขยายกำลังในตำแหน่งที่กำหนดชัดเจน ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถมองเข้าไปในเนื้อเยื่อสมองที่ยังมีชีวิตให้ลึกขึ้นอีกหนึ่งมิลลิเมตรและเฝ้าดูสมองได้โดยตรง “ขณะทำงาน”

กระบวนการกล้องจุลทรรศน์แสงแบบใหม่ทำให้เกิดโอกาสมากมายในการวิจัยสมอง เพราะช่วยให้ศึกษาเซลล์และเนื้อเยื่อที่มีชีวิตได้ ไม่เหมือนกับตอนใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอิเล็คตรอน

เซลล์ผิวที่ยังมีชีวิตภายใต้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์แบบสองโฟตอน

อีโบลา เอดส์ ฝีดาษ หัด ไข้หวัดใหญ่ โรคภัยอันตรายมากมายแพร่เชื้อด้วยไวรัส กระนั้น ก็ต้องใช้เวลานานกว่านักวิจัยจะสามารถตรวจพบตัวก่อโรค ด้วยเพราะไวรัสมีขนาดเล็กมาก เล็กกว่าแบคทีเรียหลายเท่า กล้องจุลทรรศน์แสงแบบธรรมดามองไม่เห็นไวรัส กล้องจุลทรรศน์แบบอิเล็คตรอนซึ่งเป็นสิ่งประดิษฐ์ของแอนสท์ รุสก้า นักฟิสิกส์เยอรมันในปีค.ศ.1931 ช่วยให้เราสามารถมองเห็นโลกนาโนได้ รุสก้าใช้รังสีอิเล็คตรอนคลื่นสั้นแทนการใช้แสง รุสก้าและเฮลมุท รุสก้า น้องชายของเขาซึ่งเป็นแพทย์สามารถมองเห็นและแยกประเภทไวรัสได้เป็นคนแรก สิ่งประดิษฐ์นี้ทำให้ แอนสท์ รุสก้าได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1986

กล้องจุลทรรศน์แบบอิเล็คตรอนสมัยใหม่มีความคมชัดถึง 0.1 นาโนเมตร ช่วยให้นักวิจัยศึกษาอะไรได้ละเอียดขึ้น เช่น โปรตีน

แอนสท์ รุสก้า กับกล้องจุลทรรศน์แบบอิเล็คตรอน ค.ศ.1955

กล้องจุลทรรศน์แบบอิเล็คตรอนสมัยใหม่

ค.ศ.1946 โยฮันน์ กอตฟรีด กัลเลอ นักดาราศาสตร์ชาวเบอร์ลินค้นพบดาวเคราะห์เนปจูน กล้องส่องทางไกลที่เขาใช้ถือว่าเป็นกล้องที่ดีที่สุดในยุคนั้น เพราะมาจากโรงงานของโยเซฟ ฟอน เฟราน์โฮเฟอร์ ผู้เชี่ยวชาญด้านออพติกชาวบาวาเรียน ในต้นศตวรรษที่ 19 มีแต่เฟราน์โฮเฟอร์คนเดียวเท่านั้นที่สามารถผลิตเลนส์คุณภาพสูงสุดโดยไม่มีรอยและฟองอากาศ

กล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ยิ่งมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอีกหลายเท่า เช่น Very Large Telescope (VLT) ซึ่งประกอบจากกล้องโทรทรรศน์เชื่อมต่อกันหลายตัวอาจสามารถมองเห็นแสงไฟจากรถบนดวงจันทร์เป็นจุดแสงแยกกันได้ นักวิทยาศาสตร์สถาบันมักซ์-พลังก์กำลังใช้กล้อง VLT ศึกษาหลุมดำในศูนย์ที่ถนนมิลช์

เราเกือบเอื้อมคว้าดาวได้ในยามท้องฟ้าเปิดเหนือทะเลทราย

Very Large Telescope (VLT) ในทะเลทรายอะตาคาม่าของชิลี