Mokslo ir technologijų pasaulis

Praėjusio amžiaus septintojo dešimtmečio klasikiniame mokslinės fantastikos filme „Fantastic Voyage“ povandeninio laivo įgula sumažinama iki mikroskopinio lygio ir suleidžiama į sužeisto mokslininko organizmą. Sumažinta įgula geba matyti tokius mikroskopinius dalykus, kaip baltieji kraujo kūneliai. Tačiau ar iš tiesų sumažinus žmogų iki mikroskopinio lygio, tad tuo pačiu sumažėjus ir jo akims, jis matys mažesnius (mikroskopinius) objektus?

Atsakymas: ir taip, ir ne. Sukonkretinant klausima, yra iškeliama hipotetinė situacija, kurioje žmogus yra sumažinamas iki tokio dydžio, kai net mažyčiai dalykai jam pasidaro dideli. Tačiau ar tokiam žmogui jie vis tiek atrodys dideli, su visomis jų mikrodetalėmist, dabar jau atrodančiomis kaip makro? Juk žmogaus akys tokiu atveju taip pat sumažėja?

Akių obuoliams ir jų lęšiams sumažėjus, pasaulis iš tiesų atrodo didesnis. Tačiau tuo pačiu – kuo mažesnis sutvėrimas, tuo pasaulis jam yra tamsesnis. Jeigu žmogus sumažės 10 000 kartų, jo akių lęšiai nustos veikti esant regimajai šviesai.

Tai, kaip lęšiai sąveikauja su šviesa, priklauso nuo lęšių medžiagos ir geometrijos. Darant prielaidą, kad sumažėjusios akys yra sudarytos iš tos pačios medžiagos ir yra tos pačios formos, kaip ir normalaus dydžio akys (būtent tokios jos vaizduojamos ir filmuose), jos turėtų matyti kaip įprasta. Jeigu priešais jus atsidurtų jūsų dydžio „Lego“ kaladėlė, ji ir atrodytų jūsų dydžio. Priėjus prie tokio objekto, galėtumėte regėti mažesnes jo dalis.

Tačiau yra problema – šviesos kiekis, kuris atsispindi nuo mažyčių daiktų, yra mažas. Tad mažos akys visuomet yra tamsoje. Štai dėl ko įmantrūs mikroskopai turi lemputes. Darant prielaidą, kad pats žmogus, aplink esantys daiktai ir atstumas, skiriantis jus ir šiuos daiktus, sumažėja tam tikru kartų skaičiumi, viskas aplink jus atrodys tamsiau tiek, kiek tokį parametrą pakeltume atvirkštiniu kvadratu. Viskas aplink žmogų atrodytų tam tikru kiekiu kartų didesni – tačiau šviesa būtų blankesnė, ją pakėlus atvirkštiniu kvadratu.

Taigi, jeigu sumažėtumėte nuo 2 metrų ūgio iki 2 milimetrų ūgio (sumažėjate 103 kartus), aplink jus esantis pasaulis atrodytų milijoną kartų blankesnis nei įprastai (106 kartus). Tokiu atveju vidurdienio Saulė būtų tokia pati ryški, kaip ir pilnas mėnulis.

Filme „Fantastic Voyage“ povandeninis laivas sumažėja iki vieno mikrometro ilgio – tai yra maždaug 10 milijonų kartų. Tokiu atveju aplinkos apšvietimas turėtų būti 100 trilijonų kartų didesnis, kad aplinka atrodytų apšviesta kaip įprasta. Jeigu taip nutiktų, geriau matytumėte tik sekundės dalį, o po to tiesiog sudegtumėte, mat 1014 jau yra didelis rodiklis.

Dar daugiau, dėl šviesos bangos prigimties egzistuoja frakcijos ribos. Sumažėjus žemiau šviesos bangos lygio, šviesa tampa banguota, ne tokia tiesi. Ji keliauja pro įvairias kliūtis. Esant mikrometro dydžio bangai, šviesa nebešviečia tiesia linija – vietoje to, ji į tinklainę patenka sklisdama padrikai. Sumažėjus žemiau difrakcinės ribos, pasaulis taptų miglotas – kol galiausiai nieko nematytumėte.

Regima šviesa turi maždaug pusės mikrometro bangos ilgį, o mūsų vyzdžio diametras yra tik apie 2-5 milimetrai, tai yra, vyzdys yra 10 000 kartų didesnis už bangos ilgį. Taigi jeigu būtumėte sumažinti 10 000 kartų, jūsų akys negalėtų užfiksuoti įeinančios šviesos ir suformuoti naudingo vaizdo. Iš esmės viskas aplink atrodytų miglotai.

Baltieji kraujo kūneliai yra maždaug 10 mikrometrų skersmens – o tai prilygsta 20 regimų šviesos bangų. Difrakcijos riba taptų problema, kai kraujo kūneliai atrodytų tokio dydžio kaip golfo kamuoliukai – o visiškai nieko nematytumėte, kai baltieji kraujo kūneliai savo dydžiu prilygtų jūsų galvai.

Nepaisant visų sunkumų, mikrometro dydžio akys egzistuoja. Tačiau dėl išvardintų sunkumų, jos daug naudos neduoda. Laimei, mažiausios akys priklauso vienaląsčiams organizmams, kurie yra pernelyg kvaili, kad pastebėtų prastesnę regėjimo kokybę.

Synechocystis yra melsvabakterė (energijai gauti naudoja fotosintezę), jos ilgis siekia 3 mikrometrus, o visą savo kūną naudoja kaip vieną didelę akį. Ląstelę skrodžianti šviesa šiek tiek labiau susitelkia į ląstelės paviršių, esantį tiesiai priešais šviesos šaltinį. Šį sugebėjimą nėra sudėtinga išsivystyti – panašiai elgiasi į lietaus lašai krisdami ant žemės.

Synechocystis yra laikoma „akimi“ dėl to, kad ji reaguoja į tokį vaizdą. Ji plaukia link Saulės ar kito šviesos šaltinio – o tai yra naudinga sutvėrimui, kuris minta šviesa. Dėl difrakcijos ribos tokia akis yra pati mažiausia, kokia tik gali būti, kuri dar sugeba suformuoti vaizdą – todėl neverta tikėtis, kad mokslininkai ateityje suras mažesnę akį.