ต้องเล็กแค่ไหนถึงจะพอใจ ต้องใกล้แค่ไหนถึงจะดีพอ?
แม้สายตาของมนุษย์จะสามารถเห็นวัตถุขนาดเล็กเท่าเส้นผม แต่เรากลับไม่เคยพึงพอใจมันเลย ต้องใกล้กว่านั้นอีกสิ! เรารู้ว่าอะตอมเล็กแค่ไหน ใจก็อยากเห็นมันชัดๆ สักครั้ง
ในหน้าประวัติศาสตร์ การ ‘ซูม’ (Zoom) ทำให้เราเห็นมุมมองต่อโลกใบเดิมแตกต่างสิ้นเชิง ความหลงใหลของมวลมนุษย์ที่พยายามทำลายข้อจำกัดทางการมองเห็นจนสามารถกรุยทางไปสู่ศาสตร์อื่นๆ ได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด
ต้องขอบคุณความพยายามของนักประดิษฐ์เลนส์ (lens) และกล้องจุลทรรศน์ (microscope) ที่ท้าทายโลกจิ๋วตลอดเวลา หลายคนตื่นเต้นในการสำรวจโลกกว้าง แต่มีคนจำนวนไม่น้อยที่หัวใจโครมครามไปกับโลกที่เล็กเพียงหัวไม้ขีด
The MATTER ขออาสาจับมัดประวัติศาสตร์การซูมอันน่าตื่นเต้น 8 อันดับเรียงตามไทม์ไลน์จากอดีตถึงปัจจุบันเพื่อดูว่าการซูมได้ทิ้งองค์ความรู้อะไรให้เราบ้าง
“จากที่เคยคิดว่าใกล้แล้ว ยังใกล้ได้มากกว่านี้อีก”
1. อักษรรูปลิ่ม ‘คูนิฟอร์ม’ (กำลังขยาย 2 เท่า), ปี 750-710 ก่อนศริสตกาล
ในปี ค.ศ. 1850 นักโบราณคดีได้ขุดพบ ‘แว่นขยาย’ ในอิรัก ซึ่งน่าจะเป็นชิ้นเลนส์ที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยประดิษฐ์ เรียกกันว่า Nimrud lens มีขนาดความกว้าง 40 มิลลิเมตร มีกำลังขยาย 2-3 เท่าเมื่อเทียบกับแว่นขยาย น่าจะเป็นเครื่องมือสำคัญของอาลักษณ์ชาวอัสซีเรียนที่ใช้เพื่อส่องอ่านอักษรลิ่ม (Cuneiform) ขนาดเล็กให้ชัดขึ้นโดยไม่ต้องเพ่งจนปวดตา
เจ้า Nimrud lens น่าจะมีอายุเกือบ 3,000ปี แต่ถูกออกแบบมาอย่างประณีตจนน่าตื่นตะลึง โดยช่างฝนเลนส์ในสมัยนั้นนำหินคริสตัลมาฝนด้วยความละเอียดจนแสงผ่านได้ และสามารถโฟกัสจนมองเห็นชัดขึ้น แต่อย่าเพิ่งเอาไปเปรียบเทียบกับเลนส์สมัยนี้ เพราะมันทำจากหินที่มักมีองศาบิดเบือนไปตามเวลา แต่เลนส์ที่คุณใช้ในปัจจุบันก็ยังคงมีรากฐานมาจากแนวคิด Nimrud lens ที่เป็นองค์ความรู้เก่าแก่ถึง 3,000 ปี
2. ตาของผึ้ง (กำลังขยาย 30 เท่า), ปี 1625
เป็นที่ทราบกันว่า ‘กล้องจุลทรรศน์’ ตัวแรกๆ ถูกสร้างขึ้นในช่วงศตวรรษที่ 17 ซึ่งมันเปลี่ยนโลกที่คนทั่วไปมีต่อสิ่งรอบตัวอย่างถาวร กล้องจุลทรรศน์ตัวแรกประกอบด้วยเลนส์ 2 ชุด ซึ่งยังให้ภาพที่ไม่สาแก่ใจนัก ทำให้กาลิเลโอ (Galileo) เพิ่มเลนส์ชุดที่ 3 เข้าไปจนได้กำลังขยาย 30 เท่า เพียงพอที่จะส่องตาของแมลง
เมื่อลองเอาไปส่องตาผึ้งดูก็ต้องตกตะลึงเมื่อมนุษย์ได้เห็นว่า ผึ้งเองก็มองเราผ่านเลนส์หกเหลี่ยมจำนวนมากที่เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ เรียกว่า ‘compound eye’
3. จุกไม้คอร์ก (กำลังขยาย 50 เท่า), ปี 1665
ผ่านมาเพียง 40 ปี นักฟิสิกส์ ‘โรเบิร์ต ฮุก’ (Robert Hooke) จับจุดได้ว่ากล้องจุลทรรศน์ได้ภาพที่ไม่ค่อยคมชัดจากการที่มีแสงน้อยเกินไป เขาจึงพยายามควบคุมแสงด้วยตะเกียงน้ำมันเพื่อเพิ่มความสว่างในจุดที่ต้องการส่อง ทำให้ภาพสว่างขึ้นมาหน่อย
จากการทดลองส่องจุกไม้คอร์กและได้พบกับเนื้อเยื่อพืชที่ยังมีชีวิต การบัญญัติคำว่า ‘เซลล์’ เป็นครั้งแรกจึงเกิดขึ้น ฮุกได้ตีพิมพ์หนังสือที่พิลึกพิลั่นเล่มหนึ่งชื่อ Micrographia โดยนำเสนอภาพสัตว์ที่ใครๆ ก็รู้จัก แต่ไม่เคยเห็นแบบใหญ่ๆ ชัดๆ มาก่อน มีทั้งมด แมลงวัน ไปจนถึงเห็บหมัดที่เขาวาดจากการส่องกล้องจุลทรรศน์ Micrographia กลายเป็นหนังสือขายดีระดับ best seller ที่เปลี่ยนมุมมองของคนทั่วโลกไปตลอดกาล
4. จุลชีพ (กำลังขยาย 300 เท่า), ปี 1677
อันโตนี ฟิลิปส์ ฟัน เลเวินฮุก (Antonie Philips van Leeuwenhoek) คลั่งไคล้เลนส์และกล้องจุลทรรศน์เป็นชีวิตจิตใจ วันหนึ่งเขาบอกกับเหล่าเพื่อนๆ นักวิทยาศาสตร์ว่า “เมื่อคืนมีโอกาสเห็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว” ที่เล็กกว่าเซลล์พืชถึง 10 เท่า แต่แทบจะไม่มีใครเชื่อเลเวินฮุกเลย จนเขาต้องยกมาให้เห็นด้วยตาจริงๆ
จากการได้รับแรงบันดาลใจในผลงานที่โรเบิร์ต ฮุกทำไว้ เลเวินฮุกใช้เวลา 3 ปีในการศึกษาสิ่งมีชีวิตตัวจิ๋วด้วยกล้องจุลทรรศน์กำลังขยาย 300 เท่า จนได้ชื่อว่าเป็น ‘บิดาแห่งวิชาจุลชีววิทยา’ และถือว่าเป็นนักจุลชีววิทยาคนแรกที่ต่อมามีส่วนสำคัญในการก่อตั้งสาขาวิชาจุลชีววิทยา ตัวเลเวินฮุกยังโดดเด่นในเรื่องการสังเกตเห็นและสามารถบรรยายองค์ประกอบของเซลล์โดยอาศัยกล้องจุลทรรศน์ที่สร้างขึ้นด้วยตัวเอง และเป็นคนแรกที่บันทึกผลสังเกตเส้นใยของกล้ามเนื้อ แบคทีเรีย เซลล์สืบพันธุ์เพศผู้ และการไหลของเลือดในหลอดเลือดฝอย
ส่องไปส่องมา กลายเป็น expert เลย
5. อนุภาคทองคำ (กำลังขยาย 1 หมื่นเท่า), ปี 1903
นักเคมี Richard Adolf Zsigmondy และนักฟิสิกส์ Henry Siedentopf ใช้กล้องจุลทรรศน์ที่ออกแบบร่วมกันเรียกว่า ‘อัลตราไมโครสโคป’ (Ultramicroscope) ไว้ใช้ส่องอนุภาคขนาดเล็กมากๆ โดยเริ่มทดลองส่องกับ ‘คอลลอยด์’ (colloid) ของผสมที่ประกอบด้วยอนุภาคที่ดูเหมือนจะเป็นสารละลาย แต่อนุภาคมีการชนกันตลอดเวลา
โดยเจ้ากล้องอัลตราไมโครสโคปสุดเจ๋งสามารถยิงลำแสงไปในองศาที่แม่นยำมากๆ จนเกิดการสูญเสียแสงน้อย ซึ่งนั่นไปทำให้อนุภาคทองคำที่มีขนาดเพียง 4 นาโมเมตรปรากฏเด่นชัดขึ้นมา
6. ไวรัสใบยาสูบด่าง (กำลังขยาย 5 แสนเท่า), ปี 1939
ไวรัส (virus) เป็นผู้ต้องสงสัยของโรคที่คร่าชีวิตมานับพันล้านปี การเห็นมันครั้งแรกจึงเป็นเรื่องสุดตื่นเต้นและเหนือจริงทีเดียว ถ้าเรามองไม่เห็นไวรัสก็แทบจะคิดไม่ออกเลยว่าสิ่งมีชีวิตจิ๋วจัดการกับร่างกายคุณอย่างไร
วิศวกรไฟฟ้า Max Knoll และนักฟิสิกส์ Ernst Ruska เป็นสองชาวเยอรมันที่ตั้งข้อสังเกตว่า กล้องอัลตราไมโครสโคปที่ว่าเจ๋งแล้วนั้นยังใช้แสงที่ให้ผลอันไม่น่าพึงพอใจนัก พวกเขาจึงริเริ่มใช้เทคนิคใหม่ที่ดีกว่า คือการใช้ ‘อิเล็กตรอน‘ ที่จะให้รายละเอียดของภาพมากกว่าใช้แสง ทั้งสองง่วนประดิษฐ์กล้องรุ่นใหม่นาน 8 ปี จนกระทั่งนำไปทดสอบด้วยการส่องดูเซลล์ใบยาสูบ นั่นเป็นครั้งแรกที่โลกได้ค้นพบไวรัส TMV (Tobacco Mosaic Virus) ไวรัสชนิดแรกที่มนุษย์เคยรู้จัก วิทยาศาสตร์การแพทย์จึงเปลี่ยนฝ่ามือนับตั้งแต่นั้นมา
7. อะตอมของทังสเตน (กำลังขยาย 1 ล้านเท่า), ปี 1955
เรื่องทั้งหมดเริ่มจากเพียง ‘ปลายเข็มหมุด’ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Erwin Müller สงสัยเหลือเกินว่ามีอะไรอยู่ที่ปลายเข็มหมุด และเป็นไปได้หรือไม่ที่เราจะเห็น ‘อะตอม’ (atom) ณ จุดที่เล็กที่สุดของปลายเข็ม
เขาใช้เทคนิคใหม่ที่เรียกว่า Field ion microscope โดยทดลองนำเข็มหมุดมาส่องด้วยกล้องตัวล่าสุดที่ต้องวางเข็มในช่องสุญญากาศ จากนั้นกระตุ้นด้วยไฟฟ้าด้วยหลักการ ‘ไอออไนเซชัน’ ดึงให้อิเล็กตรอนหรือไอออนวงนอกสุดของเข็มหมุดหลุดออกมาจากอะตอม จากนั้นจะมีฉากที่ดักจับไอออนจนเกิดภาพคล้ายแนวคิด ‘กล้องสลับลาย’ (Kaleidoscope) ที่คุณเคยเล่นในคาบวิชาวิทยาศาสตร์ เพียงแต่ว่ามันส่องถึงระดับอะตอมได้เลย
Erwin Müller จึงเป็นมนุษย์คนแรกที่เห็นอะตอม
8. อะตอมเดี่ยว (กำลังขยาย 20 ล้านเท่า), ปี 2015
เห็นกลุ่มอะตอมยังไม่สะใจ! มันต้องเห็นอะตอมเดี่ยวๆ จะๆ ไปเลย ทีม SuperSTEM ในอังกฤษเคยชินแล้วกับการมองของจิ๋วหลิว แต่ยังไม่มีใครเคยเห็นอะตอมเดี่ยวแบบชัดๆ พวกเขาคิดว่านี่ไม่ใช่เรื่องยากเมื่อดูจากองค์ความรู้ที่กรุยทางมาอย่างยาวนาน
ทีมวิจัยใช้กล้องชื่อยาวเหยียด Scanning transmission electron microscope (STEM) กล้องตัวนี้มีกำลังขยายสูงถึง 20 ล้านเท่า ยิงอิเล็กตรอนผ่านแม่เหล็กที่โฟกัสไปยังชิ้นตัวอย่างอย่างแม่นยำในระดับ 0.05-0.2 nm
เมื่อ STEM สามารถให้ความละเอียดสูงถึงขนาดนี้ ตัวเครื่องจึงต้องติดตั้งในห้องเฉพาะโดยมีการควบคุมสภาพแวดล้อมให้คงที่อยู่เสมอ ต้องไม่ให้มีการสั่นสะเทือน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือคลื่นเสียงเล็ดรอดเข้ามาให้ห้อง แต่คุณก็ต้องทำเบอร์นี้ล่ะ หากจะส่องระดับอะตอม
อ้างอิงข้อมูลจาก
- EPSRC invests £7m in materials research at SuperSTEM microscopy lab
- Microbe masters
- Robert Hooke and The Discovery of the Cell
- Ultramicroscope
