فناوری چگونه جهان پنهان را آشکار می‌کند؟

عصر ایران - چشمان انسان فقط بخش بسیار کوچکی از جهان اطرافش را می بینند. آنچه ما به عنوان «نور» می شناسیم، تنها قسمت محدودی از طیف گسترده امواج الکترومغناطیسی است و بسیاری از سیگنال ها و پدیده هایی که در اطراف ما جریان دارند، برای چشم غیرمسلح کاملا نامرئی هستند.

با این حال، فناوری راه هایی برای آشکار کردن بخشی از این جهان پنهان پیدا کرده است. دوربین های فروسرخ می توانند گرمای اجسام را به تصویر تبدیل کنند، سامانه های لیدار (LiDAR) می توانند عوارض زمین را در زیر پوشش متراکم جنگل آشکار کنند و دوربین های ابرطیفی قادرند تفاوت میان موادی را تشخیص دهند که برای چشم انسان تقریبا یکسان به نظر می رسند.

حتی امواج رادیویی نیز می توانند اطلاعاتی درباره حرکت انسان در اختیار ما قرار دهند و آشکارسازهایی مانند آیس کیوب (IceCube) در اعماق یخ های قطب جنوب، ذراتی بسیار دشوار برای شناسایی به نام نوترینو را که از اعماق فضا به زمین می رسند، ثبت می کنند.

در واقع، هیچ کدام از این فناوری ها دقیقا مانند چشم انسان نمی بینند. آنها سیگنال هایی را دریافت می کنند که چشم ما برای تشخیص آنها ساخته نشده است و سپس این اطلاعات نامرئی را به تصویر، نقشه یا داده ای قابل فهم تبدیل می کنند.

دیدن گرما با دوربین های فروسرخ

چشم انسان برای دیدن نور مرئی طراحی شده است، اما هر جسمی که دمایی بالاتر از صفر مطلق داشته باشد، انرژی را به شکل تابش فروسرخ منتشر می کند. دوربین های حرارتی و فروسرخ می توانند این تابش را دریافت کرده و تفاوت های دمایی را به تصویر تبدیل کنند.

به همین دلیل، در یک تصویر حرارتی می توان گرمای بدن انسان، موتور خودرو، تجهیزات صنعتی یا حتی نقاط داغ یک ساختمان را مشاهده کرد؛ حتی زمانی که نور مرئی بسیار کم است یا اصلا وجود ندارد.

البته تصویر حرارتی همان چیزی نیست که چشم انسان در نور معمولی می بیند. این دوربین در واقع الگوی تابش حرارتی را ثبت می کند و آن را به شکلی بصری نمایش می دهد.

کشف عوارض زمین زیر پوشش جنگل

لیدار یا «آشکارسازی و فاصله یابی با نور» از پالس های لیزر برای اندازه گیری فاصله استفاده می کند. سامانه، زمان رفت و برگشت پالس های لیزری را ثبت می کند و از این داده ها برای ساخت مدل سه بعدی از محیط استفاده می شود.

یکی از کاربردهای جالب لیدار در مناطق جنگلی است. بخشی از پالس های لیزر به برگ ها و شاخه ها برخورد می کنند، اما برخی پالس ها می توانند از میان شکاف های پوشش گیاهی عبور کرده و به سطح زمین برسند.

با پردازش حجم عظیمی از این بازتاب ها، پژوهشگران می توانند عوارض سطح زمین را در مناطقی آشکار کنند که از بالا زیر پوشش متراکم جنگل پنهان شده اند. به این ترتیب، لیدار در باستان شناسی، جنگل داری، نقشه برداری و مطالعه چشم اندازها کاربرد پیدا کرده است.

بنابراین، لیدار را نمی توان فناوری «دیدن زیر زمین» دانست؛ بلکه توانایی آن در آشکار کردن سطح زمین از میان پوشش گیاهی متراکم است که چنین تصوری را ایجاد می کند.

دوربینی که رنگ های بیشتری می بیند

دوربین های معمولی معمولا اطلاعات مربوط به نور مرئی را در چند کانال اصلی ثبت می کنند، اما دوربین های ابرطیفی (Hyperspectral) موضوع را بسیار گسترده تر دنبال می کنند.

این سامانه ها نور بازتاب شده از یک سطح را در تعداد زیادی باند طیفی اندازه گیری می کنند. نتیجه این است که دو ماده که از نظر چشم انسان یا حتی یک دوربین معمولی کاملا مشابه به نظر می رسند، ممکن است در طیف های دیگر تفاوت مشخصی داشته باشند.

این فناوری در حوزه هایی مانند کشاورزی، زمین شناسی، پایش محیط زیست، سنجش از دور و شناسایی مواد کاربرد دارد. به عنوان نمونه، می توان از ویژگی های طیفی گیاهان برای بررسی وضعیت آنها یا از تفاوت های طیفی مواد برای شناسایی و تفکیک آنها استفاده کرد.

در واقع، دوربین ابرطیفی به جای اینکه صرفا بپرسد «این سطح چه رنگی است؟»، اطلاعات بسیار دقیق تری درباره نحوه تعامل ماده با طول موج های مختلف نور جمع آوری می کند.

تشخیص حرکت انسان از پشت دیوار

یکی دیگر از نمونه های جالب، استفاده از امواج رادیویی برای تشخیص حرکت انسان است. برخی سامانه های آر اف می توانند امواج رادیویی را ارسال یا دریافت کرده و تغییرات ایجادشده در این امواج بر اثر حضور و حرکت افراد را تحلیل کنند.

در برخی فناوری های پیشرفته تر، این داده ها می توانند برای تشخیص حرکت، موقعیت تقریبی بدن و حتی تخمین وضعیت اندام ها مورد استفاده قرار گیرند؛ بدون آنکه به یک دوربین نوری معمولی نیاز باشد.

البته عبارت «دیدن از پشت دیوار» کمی گمراه کننده است. این سامانه ها معمولا تصویری شبیه فیلم دوربین مداربسته از آن سوی دیوار ارائه نمی کنند. آنها الگوهای امواج رادیویی را تحلیل می کنند و از روی تغییرات این الگوها، اطلاعاتی درباره حضور و حرکت انسان به دست می آورند.

شکار ذراتی که تقریبا با هیچ چیز برهم کنش ندارند

اما شاید عجیب ترین نمونه در این فهرست، فناوری آیس کیوب باشد؛ آشکارسازی عظیم که در یخ های قطب جنوب قرار گرفته و برای مطالعه یکی از اسرارآمیزترین ذرات جهان، یعنی نوترینوها، طراحی شده است.

نوترینوها ذراتی بسیار سبک هستند که برهم کنش بسیار ضعیفی با ماده دارند. تعداد بسیار زیادی از آنها دائما از بدن ما و زمین عبور می کنند، بدون اینکه متوجه حضورشان شویم.

آیس کیوب از حجم عظیمی از یخ های قطب جنوب به عنوان محیط آشکارساز استفاده می کند. هنگامی که در موارد بسیار نادر یک نوترینو با ماده برهم کنش می کند، می تواند ذرات ثانویه ای ایجاد کند که در یخ نور بسیار ضعیفی تولید می کنند. حسگرهای نوری تعبیه شده در یخ این نشانه ها را ثبت می کنند.

دانشمندان با تحلیل همین رویدادهای نادر می توانند درباره منشا و مسیر برخی نوترینوهای پرانرژی اطلاعات به دست آورند؛ ذراتی که ممکن است از منابع بسیار دور در کیهان آمده باشند.

چشم انسان تنها یکی از راه های دیدن جهان است

آنچه این فناوری ها را به هم مرتبط می کند، مفهوم ساده اما مهمی است: جهان بسیار بزرگ تر از چیزی است که حواس ما مستقیما می توانند دریافت کنند.

چشم انسان فقط بخش کوچکی از نور را می بیند، گوش ما تنها محدوده خاصی از فرکانس های صوتی را می شنود و بسیاری از ذرات و امواج اساسا هیچ اثری مستقیم بر حواس ما ندارند.

فناوری در واقع حواس جدیدی برای انسان ساخته است. دوربین حرارتی، لیدار، تصویربرداری ابرطیفی، حسگرهای رادیویی و آشکارسازهایی مانند آیس کیوب هر کدام بخشی متفاوت از این جهان پنهان را آشکار می کنند.

آنها لزوما جهان را همان طور که انسان می بیند نمایش نمی دهند؛ بلکه چیزهایی را اندازه گیری می کنند که انسان به طور طبیعی قادر به دیدن آنها نیست و سپس داده های به دست آمده را به شکلی قابل درک تبدیل می کنند.

در نتیجه، شاید جهان نامرئی واقعا نامرئی نباشد؛ فقط چشم انسان ابزار مناسبی برای دیدن آن نیست.

فناوری هایی که جهان نامرئی را می بینند

تنظیم و ترجمه: محمدمهدی حیدرپور