Оптика началась с разработки линз древними египтянами и месопотамцами , за которыми последовали теории света и зрения , разработанные древнегреческими философами , и развитие геометрической оптики в греко-римском мире . Слово оптика происходит от греческого термина τα ὀπτικά, означающего «вид, вид». [1] Оптика была значительно реформирована в результате развития средневекового исламского мира , такого как начало физической и физиологической оптики, а затем значительно продвинулась в Европе раннего Нового времени , где возникла дифракционная оптика . Эти более ранние исследования по оптике теперь известны как «классическая оптика». Термин «современная оптика» относится к областям оптических исследований, которые получили широкое развитие в 20 веке, таким как волновая оптика и квантовая оптика .
В пятом веке до нашей эры Эмпедокл постулировал, что все состоит из четырех элементов ; огонь, воздух, земля и вода. Он верил, что Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов и что она зажгла в глазу огонь, который сиял из глаза, делая возможным зрение. Если бы это было правдой, то ночью можно было бы видеть так же хорошо, как и днем, поэтому Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, исходящими из глаз, и лучами от такого источника, как Солнце. Он заявил, что свет имеет конечную скорость. [2]
Отдельные значительные достижения в оптике были достигнуты и в Древнем Китае. [3]
В своей книге «Оптика» греческий математик Евклид заметил, что «вещи, увиденные под большим углом, кажутся больше, а те, что под меньшим углом, — меньше, а те, что под равными углами, кажутся равными». В последующих 36 положениях Евклид связывает видимый размер объекта с его расстоянием от глаза и исследует видимые формы цилиндров и конусов, если смотреть под разными углами. Папп считал эти результаты важными для астрономии и включил « Оптику» Евклида вместе с его «Явлениями» в «Маленькую астрономию» , сборник небольших работ, которые необходимо было изучить до « Синтаксиса » ( Альмагеста ) Птолемея .
В 55 году до нашей эры Лукреций , римский атомист , писал:
Ибо с каких бы расстояний огонь ни мог пролить на нас свой свет и вдохнуть свое теплое тепло в наши члены, они ничего не теряют от тела своего пламени из-за промежутков, их огонь ни на йоту не сжимается для зрения. [4]
В своей «Катоптрике » Герой Александрийский показал с помощью геометрического метода, что действительный путь, пройденный лучом света, отраженным от плоского зеркала, короче, чем любой другой отраженный путь, который можно было бы провести между источником и точкой наблюдения.
Индийские буддисты , такие как Дигнага в V веке и Дхармакирти в VII веке, разработали тип атомизма , который определял атомы, составляющие мир, как мгновенные вспышки света или энергии. Они рассматривали свет как атомарную сущность, эквивалентную энергии, хотя они также считали всю материю состоящей из этих частиц света/энергии.
Ранние авторы, обсуждаемые здесь, рассматривали зрение скорее как геометрическую, чем физическую, физиологическую или психологическую проблему. Первым известным автором трактата по геометрической оптике был геометр Евклид (ок. 325–265 до н. э.). Евклид начал изучение оптики так же, как начал изучение геометрии, с набора самоочевидных аксиом.
Евклид не определил физическую природу этих зрительных лучей, но, используя принципы геометрии, он обсудил эффекты перспективы и округление предметов, видимых на расстоянии.
Там, где Евклид ограничил свой анализ простым прямым видением, Герой Александрийский (ок. 10–70 гг. н.э.) расширил принципы геометрической оптики, чтобы рассмотреть проблемы отражения (катоптрики). В отличие от Евклида, Герой иногда комментировал физическую природу зрительных лучей, указывая, что они с большой скоростью распространяются от глаза к видимому объекту и отражаются от гладких поверхностей, но могут задерживаться в порах неполированных поверхностей. [5] Это стало известно как теория эмиссии . [6]
Герой доказал равенство угла падения и отражения на том основании, что это кратчайший путь от предмета к наблюдателю. На этой основе он смог определить устойчивую связь между предметом и его изображением в плоском зеркале. В частности, кажется, что изображение находится за зеркалом так же далеко, как объект на самом деле находится перед зеркалом.
Подобно Герою, Клавдий Птолемей в своей «Оптике» II века считал зрительные лучи идущими от глаза к видимому предмету, но, в отличие от Героя, считал, что зрительные лучи не представляют собой дискретных линий, а образуют непрерывный конус.
Оптика документирует исследования Птолемея отражения и преломления . [7] Он измерил углы преломления между воздухом, водой и стеклом, но его опубликованные результаты показывают, что он скорректировал свои измерения так, чтобы они соответствовали его (неверному) предположению о том, что угол преломления пропорционален углу падения . [8] [9]
Аль-Кинди (ок. 801–873) был одним из первых важных писателей-оптиков в исламском мире . В работе, известной на западе как De radiis stellarum , аль-Кинди разработал теорию, «что всё в мире… испускает лучи во всех направлениях, которые заполняют весь мир». [10]
Эта теория активной силы лучей оказала влияние на более поздних учёных, таких как Ибн аль-Хайсам , Роберт Гроссетест и Роджер Бэкон . [11]
Ибн Сахл , математик, работавший в Багдаде в 980-х годах, является первым известным исламским ученым, составившим комментарий к « Оптике » Птолемея . Его трактат Фи аль-ала аль-мухрика «О горящих инструментах» был реконструирован на основе фрагментарных рукописей Рашедом (1993). [12] Работа посвящена тому, как изогнутые зеркала и линзы изгибаются и фокусируют свет. Ибн Сахл также описывает закон преломления , математически эквивалентный закону Снелла . [13] Он использовал свой закон преломления, чтобы вычислить формы линз и зеркал, которые фокусируют свет в одной точке на оси.
Ибн аль-Хайсам (известный в Западной Европе как Альхасен или Альхазен ), писавший в 1010-х годах, получил как трактат Ибн Сахля, так и частичный арабский перевод « Оптики » Птолемея . Он произвел всесторонний и систематический анализ греческих оптических теорий. [15] Ключевое достижение Ибн аль-Хайсама было двояким: во-первых, он настаивал, вопреки мнению Птолемея, на том, что видение возникало из-за лучей, попадающих в глаз; второй заключался в том, чтобы определить физическую природу лучей, обсуждавшихся более ранними авторами геометрической оптики, рассматривая их как формы света и цвета. [16] Затем он проанализировал эти физические лучи в соответствии с принципами геометрической оптики. Он написал множество книг по оптике, в первую очередь « Книгу оптики» ( Китаб аль-Маназир на арабском языке ), переведенную на латынь как Despectibus или Perspectiva , которая распространила его идеи в Западной Европе и оказала большое влияние на более позднее развитие оптики. [17] [6] Ибн аль-Хайсама называли «отцом современной оптики». [18] [19]
Авиценна (980–1037) согласился с Альхазеном в том, что скорость света конечна, поскольку он «заметил, что если восприятие света происходит из-за испускания каких-то частиц светящимся источником, скорость света должна быть конечной. " [20] Абу Райхан аль-Бируни (973-1048) также согласился с тем, что свет имеет конечную скорость, и заявил, что скорость света намного превышает скорость звука . [21]
Абу Абдаллах Мухаммад ибн Мауд , живший в Аль-Андалусе во второй половине XI века, написал труд по оптике, позднее переведенный на латынь как Liber de crepisculis , который ошибочно был приписан Альхазену . Это была «небольшая работа, содержащая оценку угла наклона Солнца в начале утренних сумерек и в конце вечерних сумерек и попытку вычислить на основе этих и других данных высоту атмосферная влага, ответственная за преломление солнечных лучей». В результате своих экспериментов он получил значение 18°, близкое к современному значению. [22]
В конце XIII — начале XIV веков Кутб ад-Дин аль-Ширази (1236–1311) и его ученик Камаль ад-Дин аль-Фариси (1260–1320) продолжили дело Ибн аль-Хайсама и были среди первым дал правильное объяснение феномену радуги . Аль-Фариси опубликовал свои выводы в своем «Китаб Танких аль-Маназир» ( «Пересмотр оптики [Ибн аль-Хайсама] »). [23]
Английский епископ Роберт Гроссетест (ок. 1175–1253) писал на широкий круг научных тем во времена зарождения средневекового университета и восстановления трудов Аристотеля. Гроссетест отразил переходный период между платонизмом раннего средневековья и новым аристотелизмом , поэтому он имел тенденцию применять математику и платоническую метафору света во многих своих произведениях. Ему приписывают обсуждение света с четырех разных точек зрения: эпистемологии света , метафизики или космогонии света, этиологии или физики света и теологии света. [24]
Оставляя в стороне вопросы эпистемологии и теологии, космогония света Гроссетеста описывает происхождение Вселенной в рамках того, что можно условно назвать средневековой теорией «большого взрыва». И его библейский комментарий « Гексамерон» (1230 x 35), и его научный «О свете» (1235 x 40) черпали вдохновение из Бытия 1:3: «Бог сказал: да будет свет», и описывали последующий процесс творения. как естественный физический процесс, возникающий из порождающей силы расширяющейся (и сжимающейся) сферы света. [25]
Его более общее рассмотрение света как основного агента физической причинности появляется в его книге « О линиях, углах и фигурах» , где он утверждает, что «природный агент передает свою силу от самого себя к получателю», а также в книге « О природе мест», где он отмечает что «каждое естественное действие различается по силе и слабости за счет изменения линий, углов и фигур». [26]
Английский францисканец Роджер Бэкон (ок. 1214–1294) находился под сильным влиянием работ Гроссетеста о важности света. В своих оптических сочинениях (« Перспектива» , «De multiplicatione specierum » и «De speculis comburentibus ») он цитировал широкий спектр недавно переведенных оптических и философских работ, в том числе работы Альхасена , Аристотеля , Авиценны , Аверроэнса , Евклида , аль-Кинди , Птолемея . , Тидеус и Константин Африканский . Хотя он не был рабским подражателем, свой математический анализ света и видения он черпал из сочинений арабского писателя Альхасена. Но к этому он добавил неоплатоническую концепцию, возможно, заимствованную у Гроссетеста, о том, что каждый объект излучает силу ( вид ), с помощью которой он действует на близлежащие объекты, пригодные для приема этих видов . [27] Обратите внимание, что оптическое использование Бэконом термина « вид» существенно отличается от категорий «род/вид» , встречающихся в аристотелевской философии.
Несколько более поздних работ, в том числе влиятельный «Моральный трактат о глазах» (лат. Tractatus Moralis de Oculo ) Петра Лиможского (1240–1306), помогли популяризировать и распространить идеи, найденные в трудах Бэкона. [28]
Другой английский францисканец, Джон Печем (умер в 1292 г.), опираясь на работы Бэкона, Гроссетеста и ряда более ранних авторов, создал то, что стало наиболее широко используемым учебником по оптике Средневековья, Perspectiva communis . Его книга была посвящена вопросу зрения, тому, как мы видим, а не природе света и цвета. Пешам следовал модели Альхасена, но интерпретировал идеи Альхасена в манере Роджера Бэкона. [29]
Как и его предшественники, Витело (родился около 1230 года, умер между 1280 и 1314 годами) использовал обширный массив оптических работ, недавно переведенных с греческого и арабского языков, чтобы создать масштабное изложение темы под названием «Перспектива » . Его теория видения следует Альхасену, и он не учитывает концепцию видов Бэкона , хотя отрывки в его работах показывают, что на него повлияли идеи Бэкона. Судя по количеству сохранившихся рукописей, его работы не имели такого влияния, как работы Печама и Бэкона, однако его значение, как и значение Печама, возросло с изобретением книгопечатания. [30]
Теодорих Фрейбергский (ок. 1250–ок. 1310) был одним из первых в Европе, кто дал правильное научное объяснение феномену радуги [31], а также Кутб ад-Дин аль-Ширази (1236–1311) и его ученик Камаль ад-Дин аль-Фариси (1260–1320), упомянутый выше.
Иоганн Кеплер (1571–1630) взял исследование законов оптики из своего лунного эссе 1600 года. [6] И лунные, и солнечные затмения представляли собой необъяснимые явления, такие как неожиданные размеры теней, красный цвет полного лунного затмения, и, как сообщается, необычный свет, окружающий полное солнечное затмение. Связанные с этим вопросы атмосферной рефракции применимы ко всем астрономическим наблюдениям. Большую часть 1603 года Кеплер приостановил свою работу, чтобы сосредоточиться на оптической теории; получившаяся рукопись, представленная императору 1 января 1604 года, была опубликована под названием Astronomiae Pars Optica ( «Оптическая часть астрономии »). В нем Кеплер описал закон обратных квадратов, управляющий интенсивностью света, отражением от плоских и изогнутых зеркал, а также принципы работы камер-обскуры , а также астрономические значения оптики, такие как параллакс и видимые размеры небесных тел. Astronomiae Pars Optica обычно считается основой современной оптики (хотя закон преломления явно отсутствует). [32]
Виллеброрд Снеллиус (1580–1626) открыл математический закон преломления , ныне известный как закон Снеллиуса , в 1621 году. Впоследствии Рене Декарт (1596–1650) показал, используя геометрические конструкции и закон преломления (также известный как закон Декарта) ), что угловой радиус радуги равен 42° (т.е. угол, образуемый в глазу краем радуги и центром радуги, равен 42°). [33] Он также независимо открыл закон отражения , и его эссе по оптике стало первым опубликованным упоминанием этого закона. [34]
Христиан Гюйгенс (1629–1695) написал несколько работ в области оптики. К ним относятся Opera Reliqua (также известная как Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii toarchae, opuscula posthuma ) и Traité de la lumière .
Исаак Ньютон (1643–1727) исследовал преломление света, продемонстрировав, что призма может разлагать белый свет на спектр цветов, а линза и вторая призма могут превращать многоцветный спектр в белый свет. Он также показал, что цветной свет не меняет своих свойств, выделяя цветной луч и направляя его на различные объекты. Ньютон заметил, что независимо от того, было ли оно отражено, рассеяно или передано, оно оставалось одного и того же цвета. Таким образом, он заметил, что цвет — это результат взаимодействия объектов с уже окрашенным светом, а не объекты, сами генерирующие цвет. Это известно как теория цвета Ньютона . Из этой работы он пришел к выводу, что любой телескоп -рефрактор будет страдать от дисперсии света на цвета, и изобрел телескоп-рефлектор (сегодня известный как ньютоновский телескоп ), чтобы обойти эту проблему. Шлифуя свои зеркала и используя кольца Ньютона для оценки качества оптики своих телескопов, он смог создать инструмент, превосходящий телескоп-рефрактор, прежде всего благодаря более широкому диаметру зеркала. В 1671 году Королевское общество попросило продемонстрировать его телескоп-рефлектор. Их интерес побудил его опубликовать свои заметки «О цвете» , которые он позже расширил в книге «Оптика» . Ньютон утверждал, что свет состоит из частиц или корпускул и преломляется при ускорении в сторону более плотной среды, но ему пришлось связать их с волнами , чтобы объяснить дифракцию света ( Оптика , кн. II, реквизиты XII-L). Более поздние физики вместо этого предпочли чисто волновое объяснение света для объяснения дифракции. Сегодняшняя квантовая механика , фотоны и идея корпускулярно-волнового дуализма имеют лишь незначительное сходство с пониманием света Ньютоном.
В своей «Гипотезе света» 1675 года Ньютон постулировал существование эфира для передачи сил между частицами. В 1704 году Ньютон опубликовал «Оптику» , в которой изложил свою корпускулярную теорию света. Он считал, что свет состоит из чрезвычайно тонких корпускул, что обычная материя состоит из более грубых корпускул, и предполагал, что посредством своего рода алхимической трансмутации «разве грубые Тела и Свет не конвертируются друг в друга... и не могут ли Тела получить много их Деятельности от Частиц Света, входящих в их Состав?» [35]
Эффекты дифракции света были тщательно изучены и охарактеризованы Франческо Марией Гримальди , который также ввёл термин «дифракция» от латинского diffringere , «разбиваться на части», имея в виду распад света в разных направлениях. Результаты наблюдений Гримальди были опубликованы посмертно в 1665 году. [36] [37] Исаак Ньютон изучал эти эффекты и объяснял их изгибом световых лучей. Джеймс Грегори (1638–1675) наблюдал дифракционные картины, вызванные птичьим пером, которое фактически было первой дифракционной решеткой . В 1803 году Томас Янг провел свой знаменитый эксперимент по наблюдению интерференции двух близко расположенных щелей в своем двухщелевом интерферометре . Объясняя свои результаты интерференцией волн, исходящих из двух разных щелей, он пришел к выводу, что свет должен распространяться как волны. Огюстен-Жан Френель провел более подробные исследования и расчеты дифракции, опубликованные в 1815 и 1818 годах, и тем самым оказал большую поддержку волновой теории света, которая была выдвинута Христианом Гюйгенсом и возобновлена Янгом в противовес теории частиц Ньютона.
Существуют спорные археологические свидетельства использования линз в древности, насчитывающие несколько тысячелетий. [38] Было высказано предположение, что стеклянные наглазники на иероглифах Древнего Египта (ок. 2686–2181 до н. э.) представляли собой функциональные простые стеклянные менисковые линзы. [39] Точно так же так называемая линза Нимруда , артефакт из горного хрусталя, датируемый 7 веком до нашей эры, возможно, использовалась в качестве увеличительного стекла или могла быть украшением. [40] [41] [42] [43] [44]
Самое раннее письменное упоминание об увеличении относится к I веку нашей эры, когда Сенека Младший , наставник императора Нерона , писал: «Буквы, какими бы маленькими и нечеткими они ни были, видны увеличенными и более отчетливыми через глобус или стакан, наполненный водой». . [45] Говорят также, что император Нерон наблюдал за гладиаторскими играми , используя изумруд в качестве корректирующей линзы. [46]
Ибн аль-Хайсам (Альхасен) писал об эффектах точечных отверстий , вогнутых линз и увеличительных очков в своей «Книге оптики» 1021 года нашей эры . [45] [47] [48] В письменных работах английского монаха Роджера Бэкона 1260-х или 1270-х годов по оптике, частично основанных на трудах арабских писателей, описывается функция корректирующих линз для зрения и очков для горения. Эти тома представляли собой наброски более крупной публикации, которая так и не была выпущена, поэтому его идеи так и не получили массового распространения. [49]
Между 11 и 13 веками были изобретены « камни для чтения ». Эти примитивные плоско-выпуклые линзы , которые монахи часто использовали для освещения рукописей, первоначально изготавливались путем разрезания стеклянной сферы пополам. По мере экспериментов с камнями постепенно стало понятно, что более мелкие линзы увеличивают более эффективно. Около 1286 года, предположительно в Пизе, Италия, была изготовлена первая пара очков, хотя неясно, кто был их изобретателем. [50]
Самыми ранними известными работающими телескопами были телескопы-рефракторы , появившиеся в Нидерландах в 1608 году. Их изобретатель неизвестен: Ганс Липперши подал заявку на первый патент в том же году, за которым две недели спустя последовала заявка на патент Якоба Метиуса из Алкмара (ни одна из них не была удовлетворена, поскольку примеры устройств, казалось, было много в то время). В следующем году Галилей значительно усовершенствовал эти конструкции. Исааку Ньютону приписывают создание первого функционального телескопа-рефлектора в 1668 году, его ньютоновского рефлектора .
Самые ранние известные образцы составных микроскопов, в которых объектив, расположенный рядом с образцом, сочетается с окуляром для просмотра реального изображения , появились в Европе около 1620 года. [51] Конструкция очень похожа на телескоп и, как и это устройство, его изобретатель. неизвестно. И снова претензии вращаются вокруг центров изготовления очков в Нидерландах , включая утверждения, что оно было изобретено в 1590 году Захариасом Янссеном и / или его отцом Хансом Мартенсом, [52] [53] [54] утверждает, что оно было изобретено конкурирующим производителем очков Гансом Липперши. , [55] и утверждает, что он был изобретен эмигрантом Корнелисом Дреббелем , у которого, как было отмечено, была версия в Лондоне в 1619 году. [56] [57] Галилео Галилей (также иногда упоминаемый как изобретатель составного микроскопа), кажется, обнаружил после 1609 года, что он мог близко сфокусировать свой телескоп, чтобы рассматривать мелкие объекты, и, увидев составной микроскоп, построенный Дреббелем, выставленный в Риме в 1624 году, построил свою собственную улучшенную версию. [58] [59] [60] Название «микроскоп» было придумано Джованни Фабером , который дал это название составному микроскопу Галилео Галилея в 1625 году. [61]
Свет состоит из частиц, называемых фотонами , и, следовательно, по своей сути квантован. Квантовая оптика — это исследование природы и эффектов света как квантованных фотонов. Первое указание на возможность квантования света появилось у Макса Планка в 1899 году, когда он правильно смоделировал излучение абсолютно черного тела , предположив, что обмен энергией между светом и материей происходит только в дискретных количествах, которые он назвал квантами. Было неизвестно, является ли источником этой дискретности материя или свет. [62] : 231–236 В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал теорию фотоэлектрического эффекта . Оказалось, что единственным возможным объяснением эффекта является квантование самого света. Позже Нильс Бор показал, что атомы могут излучать только дискретные количества энергии. Понимание взаимодействия света и материи , вытекающее из этих разработок, не только легло в основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Однако разделы квантовой механики, посвященные взаимодействию материи и света, в основном рассматривались как исследования материи, а не света, и, следовательно, скорее говорили о физике атома и квантовой электронике .
Ситуация изменилась с изобретением мазера в 1953 году и лазера в 1960 году. Лазерная наука — исследование принципов, конструкции и применения этих устройств — стала важной областью, и квантовая механика, лежащая в основе принципов лазера, теперь изучалась с большим упором на свойства света, и название квантовая оптика стало привычным.
Поскольку наука о лазерах нуждалась в хороших теоретических основах, а также потому, что их исследования вскоре оказались очень плодотворными, интерес к квантовой оптике возрос. Следуя работам Дирака по квантовой теории поля , Джордж Сударшан , Рой Дж. Глаубер и Леонард Мандель применили квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более детальное понимание фотодетектирования и статистики света (см. степень согласованность ). Это привело к введению когерентного состояния как квантового описания лазерного света и осознанию того, что некоторые состояния света невозможно описать с помощью классических волн. В 1977 году Кимбл и др. продемонстрировал первый источник света, который требовал квантового описания: один атом, испускающий по одному фотону за раз. Вскоре было предложено другое квантовое состояние света, имеющее определенные преимущества перед любым классическим состоянием, — сжатый свет . В то же время разработка коротких и сверхкоротких лазерных импульсов, создаваемых методами модуляции добротности и синхронизации мод , открыла путь к изучению невообразимо быстрых (« сверхбыстрых ») процессов. Были найдены приложения для исследований твердого тела (например, рамановская спектроскопия ) и изучены механические силы света на вещество. Последнее приводило к левитации и позиционированию облаков атомов или даже небольших биологических образцов в оптической ловушке или оптическом пинцете с помощью лазерного луча. Это, наряду с доплеровским охлаждением, было решающей технологией, необходимой для достижения знаменитой конденсации Бозе-Эйнштейна .
Другими замечательными результатами являются демонстрация квантовой запутанности , квантовой телепортации и (недавно, в 1995 году) квантовых логических вентилей . Последние представляют большой интерес для квантовой теории информации , предмета, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической информатики .
Сегодняшние области интересов исследователей квантовой оптики включают параметрическое преобразование с понижением частоты , параметрические колебания , даже более короткие (аттосекундные) световые импульсы, использование квантовой оптики для получения квантовой информации , манипулирование отдельными атомами и конденсатами Бозе-Эйнштейна , их применение и способы манипулирования. их (подобласть, часто называемую атомной оптикой ).
