علم البصريات

استغرق الأمر عشر سنوات حتى وصل المسبار الفضائي روزيتا في 12 نوفمبر من عام 2014 للمذنب شوريموف-جيرازيمنكو الذي يبعد عن الأرض مسافة 500 مليون كيلومتر. يُعرف المذنب أولاً بذيله المُميز. ولكن هذه المرة يهتم العلماء خاصة بقلب المذنب المعدني:

تُرسل الكاميرا المخصوصة التي صممها باحثو جمعية ماكس بلانك المنصوبة على متن المسبار صور مذهلة إلى كوكب الأرض. وهنا تستغرق رحلة البيانات حول الكون حوالي 28 دقيقة و20 ثانية. لم يستطيع أحد من قبل رؤية مثل هذه التفاصيل، حتى بأفضل وأدق تلسكوب يصعب التعرف عليها من كوكب الأرض.

المركبة الفضائية روزيتا أمام المذنب شوريموف-جيرازيمنكو (تجميع للصور)

أين تقع حدود الإبصار؟ توصل الفيزيائي الألماني إرنست أبه عام 1873 إلى حسبة تفيد أن المجهر الضوئي لايستطيع إلا إظهار تفاصيل تبعد عن بعضها البعض بنصف طول موجة الضوء المستخدم على الأقل. لذلك يعتقد الفيزيائيون منذ فترة طويلة أن دقة المجهر الضوئي لايمكن أن تكون أفضل من 200 نانومتر.

ولكن عام 1999 شهد تخطي لهذه الحدود حيث أظهر المجهر الفلوري ذو الدقة العالية STED-Mikroskopie، الذي صممه الفيزيائي شتيفان هيل من مدينة جوتنجن، تفاصيل لم يبلغ حجمها سوى بضعة نانومترات. والبراعة في ذلك أن البنيات الصغيرة تُضاء – ثم يُطفأ مُجدداً جزء من الضوء الذي يشع منها عن طريق شعاع ضوئي آخر خاص. يمنع هذا الإجراء البنيات المتقاربة من بعضها البعض أن يطغي شعاعهم على بعضهم البعض.

النانومتر هو جزء من مليار جزء من المتر. لذا فإن المجهر الفلوري ستيد (STED-Mikroskop) كفائته أعلى من المجهر الضوئي التقليدي بنسبة 10 إلى 100 أضعاف.
» إلى فيديو "نظرة ضوئية في عالم تقنية النانو"

بنيات البروتين داخل خلية تحت المجهر الفلوري ستي

بنيات البروتين داخل خلية بمجهر ضوئي تقليدي

كيف نُفكر ونشعر ونتعلم؟ يُمكن الإجابة على هذه الأسئلة عندما نفهم بناء ووظيفة المخ. ومن أجل ذلك فإنه من الضروري إظهار الخلايا العصبية وأنشطتها. طًورعالم الفيزياء الحيوية فينفريد دينك في نهاية الثمانينيات المجهر الضوئي حتى وصل إلى المجهر الفلورسنتي.

يرسل جهاز الليزر فوتونات، أي جزيئات ضوئية بحيث تتداخل وتُقوى في نقطة واحدة محددة. وبذلك يمكن للباحثين رؤية حوالي مليمتراً واحداً داخل أنسجة المخ الحيوية وبناءً عليه مراقبة المخ مباشرة "أثناء العمل".

توفر التحضيرات المجهرية الضوئية الحديثة إمكانيات كبيرة في مجال أبحاث الدماغ على وجه الخصوص، لأنه يمكن من خلالها - بالمقارنة بالمجهر الإلكتروني - فحص الخلايا الحية والنسيج الحيوي.

خلية حية لشبكية العين تحت المجهر الفلورسنتي

إيبولا، الإيدز، الجدري، الحصبة، الإنفلوانزا – تُنقل الأمراض الكثيرة والخطيرة عن طريق الفيروسات. ومع ذلك فإن الأمر يستغرق وقتاً طويلاً لكي يتمكن الباحثون من تحديد مُسبب المرض. ويرجع ذلك إلى صغر الفيروسات فهي أصغر بكثير من الباكتيريا. ولايُمكن رؤية الفيروسات تحت المجهر الضوئي التقليدي.

سَمح المجهر الإلكتروني الذي اخترعه الفيزيائي الألماني إرنست روسكا لأول مرة بدخول عالم النانو، حيث استخدم روسكا حزم إلكترونية قصيرة الموجة بدلاً من الضوء. وكان إرنست روسكا هو أول من تمكن من مشاهدة الفيروسات بدقة وتصنيفها سوياً مع أخيه الطبيب هيلموت روسكا. حصل إرنست روسكا عام 1986 عن اختراعه على جائزة نوبل في الفيزياء.

تصل دقة المجاهر الإلكترونية الحديثة إلى 0,1 نانومتر وتسمح للباحثين بالفحص والتحليل الدقيق للبروتينات على سبيل المثال.

إرنست روسكا خلف المجهر الإلكتروني، عام 1955 تقريباً

المجهر الإلكتروني الحديث

اكتشف عالم الفلك يوهان جوتفريد جاله – من سكان برلين - كوكب نيبتون. وكان المنظار الذي استخدمه لمشاهدة الكوكب نيبتون أفضل المناظير الموجودة في تلك الفترة، وذلك لكونه من ورشة أخصائي البصريات البافاري يوزيف فون فراونهوفر، فهو الوحيد الذي استطاع في بداية القرن التاسع عشر من صنع العدسات دون انعراج بأعلى جودة.

تتسم المقاريب الحديثة بالكفاءة العالية، فالمقراب العظيم (VLT) مثلاً الذي يتكون من أربع تلسكوبات متصلة ببعضها البعض يمكنه رؤية كشافات السيارة الموجودة على سطح القمر كنقاط ضوء مُنفصلة. يستخدم عالمو جمعية ماكس بلانك حالياً المقراب العظيم (VLT) من أجل فحص الثقب الأسود في مركز درب التبانة.

على وشك الإمساك بالنجوم في السماء الصافية فوق الصحراء

المقراب العظيم (VLT) في الصحراء التشيلية أتاكاما