О́птика (от «наука о зрительных восприятиях») — раздел физики, изучающий поведение и свойства света, в том числе его взаимодействие с веществом и создание инструментов, которые его используют или детектируют. Оптика обычно описывает поведение видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, другие формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны, обладают аналогичными свойствами.
Большинство оптических явлений можно объяснить с помощью классической электродинамики. Однако полное электромагнитное описание света часто затруднительно применять на практике. Практическая оптика обычно строится на упрощённых моделях. Самая распространённая из них, геометрическая оптика, рассматривает свет как набор лучей, которые движутся по прямым линиям и изгибаются, когда проходят сквозь поверхности или отражаются от них. Волновая оптика — более полная модель света, которая включает волновые эффекты, такие как дифракция и интерференция, которые не учитываются в геометрической оптике. Исторически первой была разработана лучевая модель света, а затем волновая модель света. Прогресс в теории электромагнетизма в XIX веке привёл к пониманию световых волн как видимую часть спектра электромагнитного излучения.
Некоторые явления зависят от того факта, что свет демонстрирует волновые и корпускулярные свойства. Объяснение этого поведения находится в квантовой механике. При рассмотрении корпускулярных свойств, свет представляется как набор частиц называемых фотонами. Квантовая оптика использует квантовую механику для описания оптических систем.
Оптическая наука актуальна и изучается во многих смежных дисциплинах, включающих астрономию, различные области инженерного дела, фотографию и медицину (особенно офтальмологию и оптометрию). Практическое применение оптики можно найти в различных технологиях и повседневных вещах, включая зеркала, линзы, телескопы, микроскопы, лазеры и волоконную оптику.
История
Оптика началась с разработки линз древними египтянами и месопотамцами. Самые ранние известные линзы с Крита, зачастую сделанные из полированных кристаллов кварца, датируются 2000 годом до н. э. (Археологический музей Ираклиона, Греция). Линзы с Родоса датируются примерно 700 годом до н. э., как и ассирийские линзы, такие как линза Нимруда. Древние римляне и греки наполняли стеклянные шары водой для изготовления линз. За этими практическими достижениями последовало развитие теорий света и зрения древнегреческими и индийскими философами, а также развитие геометрической оптики в греко-римском мире. Слово оптика происходит от древнегреческого слова , что означает «внешний вид».
Греки рассматривали оптику как часть философского учения, — она имела две противоположные теории о том, как работает зрение: теория интромиссии () и теория излученияA History Of The Eye . stanford.edu. Retrieved 2012-06-10.. Подход интромиссии рассматривал зрение как исходящее от объектов, отбрасывающих копии самих себя (так называемые эйдола от ), которые захватывались глазом. Со многими основателями, включающими Демокрита, Эпикура, Аристотеля и их последователей, эта теория, кажется, имела некоторую схожесть с современными теориями о том, что такое зрение на самом деле, но она оставалась лишь предположением, не имеющим какого-либо экспериментального основания.
Платон первым сформулировал теорию излучения, идею о том, что зрительное восприятие осуществляется лучами, испускаемыми глазами. Он также прокомментировал изменение чётности зеркал в Тимее. Спустя несколько сотен лет Евклид (4-3 вв. до н. э.) написал трактат под названием «Оптика», в котором связал зрение с геометрией, создав геометрическую оптику. Он основывал свою работу на теории излучения Платона, в которой он описал математические правила перспективы и качественно описал эффекты преломления, хотя и сомневался в том, что луч света из глаза может мгновенно зажигать звезды каждый раз, когда кто-то моргает. Евклид сформулировал принцип кратчайшей траектории света и рассмотрел множественные отражения на плоских и сферических зеркалах. Птолемей в своём трактате «Оптика» придерживался теории зрения «интромиссии-излучения»: лучи (или поток) из глаза образуют конус, вершина которого находится внутри глаза, а основание определяет поле зрения. Лучи были чувствительными и передавали разуму наблюдателя информацию о расстоянии и ориентации поверхностей. Он резюмировал большую часть геометрической оптики Евклида и продолжил описывать способ измерения угла преломления, хотя он не заметил эмпирической связи между ним и углом падения. Плутарх (I-II века нашей эры) описал множественные отражения на сферических зеркалах и обсудил создание увеличенных и уменьшенных изображений, как реальных, так и воображаемых, включая случай хиральности изображений.
В Средние века греческие идеи об оптике были возрождены и распространены писателями мусульманского мира. Одним из первых из них был Аль-Кинди (ок. 801—873), который писал о достоинствах аристотелевских и евклидовых идей оптики, отдавая предпочтение теории излучения, поскольку она позволяла лучше количественно определять оптические явленияAdamson, Peter (2006). «Al-Kindi¯ and the reception of Greek philosophy». In Adamson, Peter; Taylor, R.. The Cambridge companion to Arabic philosophy. Cambridge University Press. p. 45. .. В 984 году персидский математик Ибн Саль написал трактат «О горящих зеркалах и линзах», правильно описав закон преломления, эквивалентный закону Снеллиуса. Он использовал этот закон для вычисления оптимальных форм линз и изогнутых зеркал. В начале XI века Альхазен (Ибн аль-Хайтам) написал Книгу оптики (Китаб ал-маназир), в которой он исследовал отражение и преломление и предложил новую систему для объяснения зрения и света, основанную на наблюдении и эксперименте . Он отверг «теорию излучения», используемой в оптике Птолемея, то есть, когда для зрения необходимые лучи испускаются глазом, и вместо этого выдвинул идею о том, что свет отражается во всех направлениях по прямым линиям от всех точек наблюдаемых объектов и затем попадает в глаз, хотя не смог правильно объяснить, как глаз улавливает лучи . Работа Альхазена в основном игнорировалась в арабском мире, но она была анонимно переведена на латынь около 1200 года нашей эры, а затем резюмирована и расширена польским монахом Витело , что сделало её стандартным текстом по оптике в Европе на следующие 400 лет.
В 13 веке в средневековой Европе английский епископ Роберт Гроссетест писал по широкому кругу научных тем и обсуждал свет с четырёх различных точек зрения: эпистемологии света, метафизики или космогонии света, этиологии или физики света и богословии светаD.C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), pp. 94-99., основанные на трудах Аристотеля и платонизме. Самый известный ученик Гроссетеста, Роджер Бэкон, написал работы, цитируя широкий спектр недавно переведённых работ по оптике и философии, включая работы Альхазена, Аристотеля, Авиценны, Аверроэса, Евклида, аль-Кинди, Птолемея, Тидеуса и Константина Африканского. Бэкон смог использовать части стеклянных сфер в качестве увеличительных стекол, чтобы продемонстрировать, что свет отражается от объектов, а не исходит от них.
Первые носимые очки были изобретены в Италии около 1286 года. Это было началом оптической индустрии шлифовки и полировки линз для этих «очков», сначала в Венеции и Флоренции в тринадцатом веке, а затем в центрах изготовления очков в Нидерландах и Германии. Создатели очков делали улучшенные типы линз для коррекции зрения, основанные больше на эмпирических знаниях, полученных при наблюдении за эффектами линз, а не на элементарной оптической теории того времени (теории, которая по большей части не могла даже адекватно объяснить, как работают очки). Это практическое развитие, мастерство и эксперименты с линзами привели непосредственно к изобретению составного оптического микроскопа около 1595 года и телескопа-рефрактора в 1608 году, оба из которых появились в центрах изготовления очков в Нидерландах.
В начале XVII века Иоганн Кеплер дополнил геометрическую оптику в своих трудах, рассмотрев линзы, отражение плоскими и изогнутыми зеркалами, принципы камер-обскур, закон обратных квадратов, регулирующий интенсивность света, и оптические объяснения астрономических явлений, таких как лунные и солнечные затмения и астрономический параллакс. Он также смог правильно определить роль сетчатки как фактического органа, записывающего изображения, и наконец получил возможность с научной точки зрения количественно оценить эффекты различных типов линз, которые создатели очков наблюдали за предыдущие 300 лет. После изобретения телескопа Кеплер изложил теоретические основы того, как они работали, и описал улучшенную версию, известную как телескоп Кеплера, с использованием двух выпуклых линз для получения большего увеличенияCaspar, Kepler, pp. 198—202 , Courier Dover Publications, 1993, ..
Оптическая теория развивалась в середине XVII века с появлением трактатов, написанных философом Рене Декартом, в котором объяснялось множество оптических явлений, включая отражение и преломление, предполагая, что свет излучается объектами, которые его создали. Это существенно отличалось от древнегреческой теории излучения. В конце 1660-х — начале 1670-х годов Исаак Ньютон расширил идеи Декарта до корпускулярной теории света, определив, что белый свет представляет собой смесь цветов, которые можно разделить на составные части с помощью призмы. В 1690 году Христиан Гюйгенс предложил волновую теорию света, основанную на предположениях Роберта Гука в 1664 году. Сам Гук публично критиковал теории света Ньютона, и вражда между ними длилась до самой смерти Гука. В 1704 году Ньютон опубликовал «Оптику», и в то время, отчасти из-за его успехов в других областях физики, он, как правило, считался победителем в дебатах о природе света.
Ньютоновская оптика была общепринятой до начала 19 века, когда Томас Янг и Огюстен-Жан Френель провели эксперименты по интерференции света, которые твёрдо установили волновую природу света. Знаменитый эксперимент Юнга с двойной щелью показал, что свет следует принципу суперпозиции, который является волнообразным свойством, не предсказываемым теорией корпускул Ньютона. Эта работа привела к возникновению теории дифракции света и открыла целую область исследований в физической оптике. Волновая оптика была успешно объединена с теорией электромагнетизма Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах.
Дальнейшее развитие оптической теории произошло в 1899 году, когда Макс Планк правильно смоделировал излучение чёрного тела, предположив, что обмен энергией между светом и веществом происходит только малыми порциями, которые он назвал квантамиFor a solid approach to the complexity of Planck’s intellectual motivations for the quantum, for his reluctant acceptance of its implications, see H. Kragh, Max Planck: the reluctant revolutionary , Physics World. December 2000.. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал теорию фотоэлектрического эффекта, которая твёрдо установила квантование самого света The chapter is an English translation of Einstein’s 1905 paper on the photoelectric effect.. В 1913 году Нильс Бор показал, что атомы могут излучать энергию только частями, объясняя тем самым дискретные линии, наблюдаемые в спектрах излучения и поглощения. The landmark paper laying the Bohr model of the atom and molecular bonding.. Понимание взаимодействия между светом и материей, которое последовало за этими достижениями, не только легло в основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Конечная кульминация, теория квантовой электродинамики, объясняет всю оптику и электромагнитные процессы в целом как результат обмена реальными и виртуальными фотонами. Квантовая оптика приобрела практическое значение с изобретением мазера в 1953 г. и лазера в 1960 г.