光学——使人能看见肉眼看不见的东西
大自然的美景、灿烂的日落、娇艳的鲜花——这些都是赏心悦目的美物。即使我们很少想到视觉所牵涉到的东西，我们无疑十分欣幸我们具有视觉。
我们的眼睛虽然十分奇妙，但是若没有光学仪器的帮助，我们所看见的只是事物的一小部分而已。借着运用各种光学仪器——由普通的放大镜到望远镜、显微镜、特别的照相机、分光镜等——光学（意即对光所作的研究）大大扩充了我们对自己和周遭世界的认识。
即使你可能熟悉某些光学仪器，但你知道它们是怎样发挥作用的吗？例如，放大镜为何能把物件放大？究竟什么使一种仪器把微生物的世界向我们显露出来，另一种仪器却使我们能够目睹广阔无涯的穹苍？很久以来，光学一直是一门引人入胜的科学。
一项基本要素
你试过手持放大镜，把一束阳光聚集在一张纸上，烧出一个小孔来吗？在这件事上，你所运用的是一种最简单的光学仪器——透镜。纸上的小点其实是你手上简单的透镜所产生出来的太阳影像。由于把那束阳光的所有能量都集中在一小点上，结果产生足够的热力把纸张燃烧起来。
另一类大家都熟悉的透镜是位于照相机前部的透镜。你也许知道，要拍摄一张相片，就须把来自一件物体的光线集中起来投射在感光片上。这正是透镜主要担任的工作。它把光线集合起来，形成一个有适当大小和强度的影像，可以被看见或记录下来。但是透镜怎能把光线弄曲，借此使光线集中在一个焦点上呢？答案与一个称为折射的光学自然现象有关。
你若把一根木棒浸入一盆水里，你见到什么呢？木棒看来在接触水面的地方扭曲了，对吗？这种常见但又奇怪的现象表明，当光线从一种介质进入另一种介质时，例如由水进入空气，除非光线以垂直的角度穿过两者交界之处，否则光线便扭曲而非继续以直线前行。科学家称这种现象为折射。光线折射的程度有赖于介质本身——空气，水，油，玻璃等——和入射角。所谓入射角就是在光线进入的那点上，光线与垂直线所形成的角度。
现在让我们再看看照相机内的透镜。你会留意到透镜的表面不是平坦而是弯曲的，像球体的凸面一样。现在试想象有一束光线从一段距离之外向着透镜射来。在透镜的中央，光线与透镜的表面成直角，因此光线直线进入其中而没有任何折射。光线越接近透镜的边缘，入射角便越大。这意味到射来的光线距离中心点越远，透镜所做的折射就越大。由于这缘故，所有来自同一点上的光线在通过一块适当设计的透镜后，会在透镜的另一面聚集在一个焦点上而形成影像。
设计一项光学系统
可是，使事情更为复杂的是，光有不同的颜色或波长，以不同的程度发生折射。这可以解释为何当阳光穿过一块棱镜时，光线会被分开而形成一道彩虹。这正是发生在普通的透镜上的情形；影像通常都有着了色的边缘，同时也扭曲了。
这个难题可以借着精密的设计而加以克服。例如，科学家知道透镜玻璃内的化学成分可以改变透镜的折射特性。借着制造一组由不同种类的玻璃所制成，而且各有不同曲度的透镜，设计者能够使偏差和扭曲的情形减至最低程度。
可是，要设计这样的一个系统绝不简单。这需要很多人花几个星期或几个月的时间，作许多繁复的计算才能产生一个设计。今日，人们已采用电脑来计算光线在角度上可能产生的偏差，透镜与透镜之间的距离，每块透镜的曲度和其他很多因素。电脑会选出效率最高的透镜系统组合。
一架优良的照相机的镜头可以有四至七个透镜元件，其表面准确到几万分之一毫米。每一元件都需要依据与其他元件的准确关系而装置上去。为了捕捉到最大程度的光线，镜头每一个透镜元件的直径都在合乎实际的范围内造到最大。制造这些东西所费不赀，因此精确的照相机十分昂贵。例如，在太空穿梭机上有一架照相机，可以在离地面240公里的太空把地球表面直径10米的物件拍摄下来。这副照相机内有一个镜头包含八个元件，价值达九百万美元之巨！
看见肉眼不能见的东西
试想想要设计、制造和测试用在望远镜内的光学系统牵涉到什么？这个望远镜使我们能够观看到广大无垠、令人生畏的宇宙。我们的肉眼无法看见来自遥远恒星的微弱亮光。望远镜却能尽量把来自这些遥远恒星的光线聚集起来，聚集在一个共同点上而形成一个可见的影像。
大部分光学望远镜都采用一片凹面镜去收集微弱的光线。举个例，装设在帕洛马山上的著名黑尔望远镜有一块直径达5米的镜子，这个望远镜能够窥见远达几十亿光年以外的地方。这诚然令人叹为观止，但是若与现在设于夏威夷的冒纳凯阿火山上的巨型望远镜比较，就显得黯然失色了。后者有一块直径达10米的镜子——把光线聚集起来的能力四倍于帕洛马山上的望远镜。事实上，据霍华德·凯克说，这个望远镜的性能如此强大，以致“能够从月球那样远的距离看见一支蜡烛的亮光。”凯克便是曾捐出7000万美元来资助该项计划的基金会的主席。
天文学家现在已开始将注意转到另一类望远镜之上：价值16亿美元的HST(哈布尔太空天文望远镜）。它由太空穿梭机所发射，在地球上空500公里的太空轨道上环绕着地球飞行。由于没有地球大气层的障碍，它可以很清楚地看见远处的事物。据《天空与望远镜》杂志说，在理论上，它的分辨力强到“足以分辨2500哩（约4000公里）外一辆汽车的左右灯。”为了要达到这么强的分辨力，它那块2.4米直径的镜片需要准确到不出二万分之一毫米之差。可是令所有人大失所望的是，HST所发送回来的第一批影像竟是模糊不清的。显然是在制作时出了毛病。《新科学家》杂志的一项报告说：“一块人造胶卷的碎片，只及一粒沙那么大，在制造望远镜的主要镜片时中断了校准仪的运作，结果镜片给打磨得太扁了。”显然，甚至最尖端的高科技产品仍会有出错的可能！
从望远镜我们可以看见远处的事物。现在，让我们用显微镜来看看近处的东西。早期的显微镜与放大镜的功能差不多。到17世纪，复合显微镜开始受人使用。在这个仪器中，一块透镜所形成的影像会被另一块透镜作进一步的放大。第一块透镜通常称为物镜，因为它是用来向着那被观察的物体的，第二块透镜则称为目镜。
显微镜若要发挥作用，就必须能够把来自一个细小物体的最多光线收集起来。为了达到这目的，物镜被造成半球体的形状，就好像蘑菇的顶部。虽然镜的直径只及一毫米或更小，镜的表面一定要准确到千分之一毫米。
饶有趣味的是，看见细微物体的能力主要不是依赖仪器而是依靠用来照明的光。所观看的物品体积越小，用来照明的光的波长就必须越短。光学显微镜使用可见的光，这限制了它们所能观察的物体，阔度不能小过万分之一毫米。借着早期的显微镜之助，科学家获悉植物是由数之不清的细胞所组成的——在当时是一项新发现。今日，生物科的学生能够借着学校置备的显微镜之助窥探细菌和血球的领域。
要观察更微细的物体，我们可以使用电子显微镜。正如这名称暗示，它不采用可见的光而是向细微的物体——有些小至百万分之一毫米——发出高能量电子。这种方法使病毒和较大的分子都得以现在眼前。
但原子和原子核的结构又如何？为了察看这些东西，科学家需要把原子“打碎”，然后运用电脑把结果绘画出来。因此，在某种意义上，最庞大和最强力的“显微镜”就是粒子加速器——回旋加速器、同步加速器和其他——其中有些的大小是以公里来量度的。这些仪器使科学家能够对于把宇宙维系起来的力量的奥秘略有所知。
奇妙的视觉
你也许以为，与这些复杂的仪器比较，人的眼睛一定是很简陋了。或者可说是简单，但却绝不简陋！我们的眼睛对于看见不同的颜色毫无困难。它的自动对焦系统既敏捷又富效率。它所看见的影像是立体的。它能够看出数百万深浅程度不同的颜色和光线。它能够每十分之一秒便制造和记录一个新影像。它的功能简直不胜枚举。人的眼睛是多么奇妙的杰作！
不论是否使用光学仪器，我们都多么感激我们有视觉！对巨大、细微、能看见和不能看见的物体增加认识为我们带来了很多具体的裨益。但最重要的是，视觉的奇妙恩赐，连同我们借着光学所获知的一切事物，应当帮助我们看出供应这些东西的创造主耶和华上帝具有多大的智慧和爱心。——诗篇148篇；箴言20:12。
［第15页的图片］
壮观的猎户星云，位于1,300光年以外
［鸣谢］
NASA photo
嵌图：设于美国亚利桑那州基特峰国立天文台的望远镜之一
［第16页的图片］
上图：飞蛾翅膀上一块鳞片的基部，由电子显微镜加以放大
左下图：放大了4万倍之后，甚至可看见更多细节，显示出一切生物均具有的复杂设计。
［鸣谢］
Top and bottom left: Outdoor Pictures
右下图：在罗伯特·胡克于1665年发表的《显微绘图》一书中，胡克所制的早期复合显微镜
［鸣谢］
Historical Pictures Service