Оптика началась с разработки линз древними египтянами и жителями Месопотамии , 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 «внешний вид, взгляд». [1] Оптика была значительно реформирована в результате развития средневекового исламского мира , такого как зарождение физической и физиологической оптики, а затем значительно продвинулась в ранней современной Европе , где началась дифракционная оптика . Эти более ранние исследования оптики теперь известны как «классическая оптика». Термин «современная оптика» относится к областям оптических исследований, которые в значительной степени развивались в 20 веке, таким как волновая оптика и квантовая оптика .
В пятом веке до нашей эры Эмпедокл постулировал, что все состоит из четырех элементов : огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов и что она зажгла огонь в глазу, 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 из глаз и лучами из такого источника, как солнце. Он утверждал, что свет имеет конечную скорость. [2]
В китайском тексте IV века до н. э., приписываемом философу Моцзы, описывается, как свет, проходящий через отверстие, создает перевернутое изображение в «сборном пункте» или «сокровищнице» [3] .
В своей «Оптике» греческий математик Евклид заметил, что «вещи, видимые под большим углом, кажутся большими, а те, что под меньшим углом, кажутся меньшими, а те, что под равными углами, кажутся равными». В 36 предложениях, которые следуют ниже, Евклид связывает видимый размер объекта с его расстоянием от глаза и исследует видимые формы цилиндров и конусов при наблюдении под разными углами. Папп считал, что эти результаты важны для астрономии, и включил «Оптику» Евклида вместе с его «Явлениями» в « Малую астрономию» , сборник небольших работ, которые следует изучать перед « Синтаксисом» ( Альмагестом ) Птолемея .
В 55 г. до н. э. римский атомист Лукреций писал :
Ибо с какого бы расстояния ни струился на нас свет и ни дышал своим жаром на наши члены, они не теряют ничего из сути своего пламени из-за промежутков, их огонь нисколько не уменьшается на глазах. [4]
В своей работе «Катоптрика » Герон Александрийский геометрическим методом показал, что фактический путь луча света, отраженного от плоского зеркала, короче любого другого отраженного пути, 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 атомную сущность, эквивалентную энергии, хотя они также рассматривали всю материю как состоящую из этих частиц света/энергии.
Ранние авторы, обсуждаемые здесь, рассматривали зрение скорее как геометрическую, чем как физическую, физиологическую или психологическую проблему. Первым известным автором трактата по геометрической оптике был геометр Евклид (ок. 325 г. до н. э.–265 г. до н. э.). Евклид начал изучать оптику так же, как и геометрию, с набора самоочевидных аксиом.
Евклид не определил физическую природу этих зрительных лучей, но, используя принципы геометрии, он рассмотрел эффекты перспективы и округления предметов, видимых на расстоянии.
Там, где Евклид ограничил свой анализ простым прямым зрением, Герон Александрийский (ок. 10–70 гг. н. э.) расширил принципы геометрической оптики, чтобы рассмотреть проблемы отражения (катоптрика). В отличие от Евклида, Герон иногда комментировал физическую природу визуальных лучей, указывая, что они с большой скоростью идут от глаза к наблюдаемому объекту и отражаются от гладких поверхностей, но могут задерживаться в порах неполированных поверхностей. [5] Это стало известно как теория эмиссии . [6]
Герон доказал равенство угла падения и отражения на том основании, что это кратчайший путь от объекта до наблюдателя. На этой основе он смог определить фиксированную связь между объектом и его изображением в плоском зеркале. В частности, изображение кажется настолько далеко позади зеркала, насколько объект на самом деле находится перед зеркалом.
Подобно Герону, Клавдий Птолемей в своей «Оптике» ( II в. н. э .) считал, что зрительные лучи исходят от глаза к видимому объекту, но, в отличие от Герона, считал, что зрительные лучи представляют собой не отдельные линии, а образуют непрерывный конус.
Оптика документирует исследования Птолемея по отражению и преломлению . [7] Он измерил углы преломления между воздухом, водой и стеклом, но опубликованные им результаты указывают на то, что он скорректировал свои измерения, чтобы они соответствовали его (неверному) предположению о том, что угол преломления пропорционален углу падения . [8] [9]
Аль-Кинди (ок. 801–873) был одним из самых ранних важных оптических писателей в исламском мире . В работе, известной на западе как De radiis stellarum , аль-Кинди разработал теорию, «что все в мире... испускает лучи во всех направлениях, которые заполняют весь мир». [10]
Эта теория активной силы лучей оказала влияние на более поздних ученых, таких как Ибн аль-Хайтам , Роберт Гроссетест и Роджер Бэкон . [11]
Ибн Сахл , математик, работавший в Багдаде в 980-х годах, является первым исламским ученым, составившим комментарий к «Оптике » Птолемея . Его трактат «Фи аль-ала аль-мухрика » «О сжигающих инструментах» был реконструирован по фрагментарным рукописям Рашедом (1993). [12] Работа посвящена тому, как изогнутые зеркала и линзы преломляют и фокусируют свет. Ибн Сахл также описывает закон преломления, математически эквивалентный закону Снеллиуса . [13] Он использовал свой закон преломления для вычисления форм линз и зеркал, фокусирующих 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 провел всесторонний и систематический анализ греческих оптических теорий. [15] Ключевое достижение Ибн аль-Хайсама было двояким: во-первых, он настоял, вопреки мнению Птолемея, что зрение возникало из-за лучей, попадающих в глаз; во-вторых, он определил физическую природу лучей, обсуждаемых более ранними геометрическими оптическими писателями, рассматривая их как формы света и цвета. [16] Затем он проанализировал эти физические лучи в соответствии с принципами геометрической оптики. Он написал много книг по оптике, наиболее значительной из которых была Книга оптики ( Kitab al Manazir на арабском языке ), переведенная на латынь как De aspectsibus или Perspectiva , которая распространила его идеи в Западной Европе и оказала большое влияние на более позднее развитие оптики. [17] [6] Ибн аль-Хайтама называли «отцом современной оптики». [18] [19]
Авиценна (980–1037) соглашался с Альхазеном в том, что скорость света конечна, поскольку он «заметил, что если восприятие света обусловлено испусканием какого-либо вида частиц источником света, то скорость света должна быть конечной». [20] Абу Райхан аль-Бируни (973–1048) также соглашался с тем, что свет имеет конечную скорость, и утверждал, что скорость света намного выше скорости звука . [21]
Абу 'Абд Аллах Мухаммад ибн Ма'уд , живший в Аль-Андалусе во второй половине XI века, написал труд по оптике, позже переведенный на латынь как Liber de crepisculis , который ошибочно приписывался Альхазену . Это была «короткая работа, содержащая оценку угла наклона солнца в начале утренних сумерек и в конце вечерних сумерек, а также попытку рассчитать на основе этих и других данных высоту атмосферной влаги, ответственной за преломление солнечных лучей». С помощью своих экспериментов он получил значение 18°, что близко к современному значению. [22]
В конце XIII и начале XIV веков Кутб ад-Дин аль-Ширази (1236–1311) и его ученик Камаль ад-Дин аль-Фариси (1260–1320) продолжили работу Ибн аль-Хайтама, и они были среди первых, кто дал правильные объяснения феномену радуги . Аль-Фариси опубликовал свои выводы в своем труде Kitab Tanqih al-Manazir ( Пересмотр оптики [Ибн аль-Хайтама] ). [23]
Английский епископ Роберт Гроссетест (ок. 1175–1253) писал по широкому кругу научных тем во времена зарождения средневекового университета и восстановления трудов Аристотеля. Гроссетест отразил период перехода между платонизмом раннего средневекового обучения и новым аристотелизмом , поэтому он был склонен применять математику и платоновскую метафору света во многих своих трудах. Ему приписывают обсуждение света с четырех различных точек зрения: эпистемология света, метафизика или космогония света, этиология или физика света и теология света. [24]
Оставив в стороне вопросы эпистемологии и теологии, космогония света Гроссетеста описывает происхождение вселенной в том, что можно вольно назвать средневековой теорией «большого взрыва». И его библейский комментарий, Hexaemeron ( 1230 x 35), и его научный труд On Light (1235 x 40), черпали вдохновение из Бытия 1:3, «И сказал Бог: 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 первичного агента физической причинности представлено в его работе «О линиях, углах и фигурах» , где он утверждает, что «природный агент распространяет свою силу от себя к получателю», и в работе «О природе мест» , где он отмечает, что «всякое естественное действие различается по силе и слабости посредством изменения линий, углов и фигур». [26]
Английский францисканец Роджер Бэкон ( ок. 1214–1294) находился под сильным влиянием трудов Гроссетеста о важности света. В своих оптических трудах ( Perspectiva , De multiplicatione specierum и De speculis comburentibus ) он цитировал широкий спектр недавно переведенных оптических и философских работ, включая работы Альхасена , Аристотеля , Авиценны , Аверроэса , Евклида , аль-Кинди , Птолемея , Тидея и Константина Африканского . Хотя он не был рабским подражателем, он черпал свой математический анализ света и зрения из трудов арабского писателя Альхасена. Но он добавил к этому неоплатоническую концепцию, возможно, заимствованную у Гроссетеста, о том, что каждый объект излучает силу ( вид ), с помощью которой он воздействует на близлежащие объекты, подходящие для получения этих видов . [27] Обратите внимание, что оптическое использование Бэконом термина «вид» существенно отличается от категорий род/вид, встречающихся в философии Аристотеля.
Несколько более поздних работ, включая влиятельный «Нравственный трактат о глазе» (лат. Tractatus Moralis de Oculo ) Пьера Лиможского (1240–1306), способствовали популяризации и распространению идей, содержащихся в трудах Бэкона. [28]
Другой английский францисканец, Джон Печам (умер в 1292 году), основываясь на работах Бэкона, Гроссетеста и разнообразных ранних авторов, создал то, что стало наиболее широко используемым учебником по оптике Средних веков, Perspectiva communis . Его книга была сосредоточена на вопросе зрения, на том, как мы видим, а не на природе света и цвета. Печам следовал модели, изложенной Альхасеном, но интерпретировал идеи Альхасена в манере Роджера Бэкона. [29]
Как и его предшественники, Витело (родился около 1230 года, умер между 1280 и 1314 годами) опирался на обширный корпус оптических работ, недавно переведенных с греческого и арабского, чтобы создать масштабное представление предмета под названием Perspectiva . Его теория зрения следует Альхасену, и он не рассматривает концепцию вида Бэкона , хотя отрывки в его работе показывают, что он находился под влиянием идей Бэкона. Судя по количеству сохранившихся рукописей, его работа не была столь влиятельной, как работы Печама и Бэкона, однако его значимость, как и значимость Печама, возросла с изобретением книгопечатания. [30]
Теодорих Фрайбергский (ок. 1250–ок. 1310) был одним из первых в Европе, кто дал правильное научное объяснение феномену радуги [31], как и упомянутые выше Кутб ад-Дин аль-Ширази (1236–1311) и его ученик Камаль ад-Дин аль-Фариси (1260–1320).
Иоганн Кеплер (1571–1630) продолжил исследование законов оптики из своего лунного эссе 1600 года. [6] Как лунные, так и солнечные затмения представляли собой необъяснимые явления, такие как неожиданные размеры тени, красный цвет полного лунного затмения и, как сообщается, необычный свет, окружающий полное солнечное затмение. Связанные с этим вопросы атмосферной рефракции относились ко всем астрономическим наблюдениям. На протяжении большей части 1603 года Кеплер приостановил свою другую работу, чтобы сосредоточиться на оптической теории; получившаяся рукопись, представленная императору 1 января 1604 года, была опубликована как Astronomiae Pars Optica ( Оптическая часть астрономии ). В ней Кеплер описал закон обратных квадратов, управляющий интенсивностью света, отражение плоскими и изогнутыми зеркалами и принципы работы камер-обскуры , а также астрономические последствия оптики, такие как параллакс и видимые размеры небесных тел. Astronomiae Pars Optica, как правило, считается основой современной оптики (хотя закон преломления в ней 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 геометрическое построение 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 было 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 разложить белый свет на спектр цветов, и что линза и вторая призма могут повторно составить многоцветный спектр в белый свет. Он также показал, что цветной свет не меняет своих свойств, выделяя цветной луч и освещая им различные объекты. Ньютон отметил, что независимо от того, был ли он отражен, рассеян или передан, он оставался того же цвета. Таким образом, он заметил, что цвет является результатом взаимодействия объектов с уже окрашенным светом, а не самих объектов, генерирующих цвет. Это известно как теория цвета Ньютона . Из этой работы он пришел к выводу, что любой преломляющий телескоп будет страдать от дисперсии света на цвета. Затем он изобрел рефлекторный телескоп (сегодня известный как ньютоновский телескоп ), который показал, что использование зеркала для формирования изображения позволяет обойти эту проблему. В 1671 году Королевское общество попросило продемонстрировать его рефлекторный телескоп. Их интерес побудил его опубликовать свои заметки «О цвете» , которые он позже расширил до «Оптики» . Ньютон утверждал, что свет состоит из частиц или корпускул и преломляется, ускоряясь в сторону более плотной среды, но ему пришлось связать их с волнами , чтобы объяснить дифракцию света ( Opticks Bk. II, Props. XII-L). Более поздние физики вместо этого отдали предпочтение чисто волновому объяснению света, чтобы учесть дифракцию. 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 «не превращаются ли грубые тела и свет друг в друга, ... и не могут ли тела получать большую часть своей активности от частиц света, которые входят в их состав?» [35]
Эффекты дифракции света были тщательно изучены и охарактеризованы Франческо Мария Гримальди , который также ввел термин «дифракция » от латинского diffringere , «разбивать на части», имея в виду разбиение света в разных направлениях. Результаты наблюдений Гримальди были опубликованы посмертно в 1665 году. [36] [37] Исаак Ньютон изучал эти эффекты и приписывал их изгибу световых лучей. Джеймс Грегори (1638–1675) наблюдал дифракционные картины, вызванные птичьим пером, которое фактически было первой дифракционной решеткой . В 1803 году Томас Юнг провел свой знаменитый эксперимент, наблюдая интерференцию от двух близко расположенных щелей в своем двухщелевом интерферометре . Объясняя свои результаты интерференцией волн, исходящих от двух разных щелей, он пришел к выводу, что свет должен распространяться как волны. Огюстен Жан Френель провел более точные исследования и расчеты дифракции, опубликованные в 1815 и 1818 годах, и тем самым оказал большую поддержку волновой теории света, выдвинутой Христианом Гюйгенсом и обновленной Юнгом, в противовес корпускулярной теории Ньютона.
Хотя это и оспаривается, археологические свидетельства предполагают использование линз в древние времена на протяжении нескольких тысячелетий. [38] Было высказано предположение, что стеклянные наглазники в иероглифах Древнего царства Египта (ок. 2686–2181 гг. до н. э.) были функциональными простыми стеклянными менисковыми линзами. [39] Так называемая линза Нимруда , артефакт из горного хрусталя, датируемый 7 веком до н. э. , могла использоваться в качестве увеличительного стекла, хотя она могла быть просто украшением. [40] [41] [42] [43] [44]
Самое раннее письменное упоминание об увеличении относится к I веку н. э. , когда Сенека Младший , наставник императора Нерона , писал: «Буквы, какими бы маленькими и нечеткими они ни были, видны увеличенными и более отчетливо через шар или стакан, наполненный водой». [45] Также говорят, что император Нерон наблюдал за гладиаторскими играми, используя изумруд в качестве корректирующей линзы. [46]
Ибн аль-Хайтам (Альхасен) писал о влиянии пинхола , вогнутых линз и увеличительных стекол в своей «Книге оптики» XI века (1021 г. н. э.). [45] [47] [48] Английский монах Роджер Бэкон в 1260-х или 1270-х годах написал труды по оптике, частично основанные на трудах арабских писателей, в которых описывалась функция корректирующих линз для зрения и зажигательных стекол. Эти тома были набросками для более крупного издания, которое так и не было выпущено, поэтому его идеи так и не получили массового распространения. [49]
Между 11 и 13 веками были изобретены так называемые « камни для чтения ». Часто используемые монахами для освещения рукописей, они представляли собой примитивные плоско-выпуклые линзы , изначально сделанные путем разрезания стеклянной сферы пополам. По мере экспериментов с камнями постепенно стало понятно, что более мелкие линзы увеличивают эффективнее. Около 1286 года, возможно, в Пизе, Италия, была изготовлена первая пара очков, хотя неясно, кто был изобретателем. [50]
Самыми ранними известными рабочими телескопами были рефракторные телескопы , которые появились в Нидерландах в 1608 году. Их изобретатель неизвестен: Ганс Липперсгей подал заявку на первый патент в том же году, а затем патентную заявку подал Якоб Метиус из Алкмара две недели спустя (ни одна из них не была удовлетворена, поскольку в то время примеров устройства было много). Галилей значительно улучшил эти конструкции в следующем году. Исааку Ньютону приписывают создание первого функционального рефлекторного телескопа в 1668 году, его ньютоновского рефлектора . [51]
Самые ранние известные примеры составных микроскопов, которые объединяют объективную линзу около образца с окуляром для просмотра реального изображения , появились в Европе около 1620 года. [52] Конструкция очень похожа на телескоп, и, как и у этого устройства, его изобретатель неизвестен. Опять же, заявления вращаются вокруг центров изготовления очков в Нидерландах, включая заявления, что он был изобретен в 1590 году Захариасом Янссеном и/или его отцом, Гансом Мартенсом, [53] [54] [55] заявления, что он был изобретен конкурирующим производителем очков, Гансом Липпершеем, [56] и заявления, что он был изобретен эмигрантом Корнелисом Дреббелем , который, как было отмечено, имел версию в Лондоне в 1619 году. [57] [58]
Галилео Галилей (иногда его также называют изобретателем составного микроскопа), по-видимому, обнаружил после 1609 года, что он может близко фокусировать свой телескоп, чтобы рассматривать небольшие объекты, и, увидев составной микроскоп, построенный Дреббелем, выставленный в Риме в 1624 году, построил свою собственную улучшенную версию. [59] [60] [61] Название «микроскоп» было придумано Джованни Фабером , который дал это название составному микроскопу Галилео Галилея в 1625 году. [62]
Свет состоит из частиц, называемых фотонами , и, следовательно, по своей сути квантован. Квантовая оптика — это изучение природы и эффектов света как квантованных фотонов. Первое указание на то, что свет может быть квантован, пришло от Макса Планка в 1899 году, когда он правильно смоделировал излучение 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. [63] : 231–236 В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал теорию фотоэлектрического эффекта . Казалось, что единственным возможным объяснением эффекта является квантование самого света. Позже Нильс Бор показал, что атомы могут излучать только дискретные количества энергии. Понимание взаимодействия между светом и материей , 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, изучающие взаимодействие материи и света, в основном рассматривались как исследования материи, а не света, и поэтому скорее говорили об атомной физике 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, а квантовая механика, лежащая в основе принципов работы лазера, теперь изучалась с большим упором на свойства света, и название «квантовая оптика» стало общепринятым.
Поскольку лазерная наука нуждалась в хороших теоретических основах, а также потому, что исследования в этой области вскоре оказались весьма плодотворными, интерес к квантовой оптике возрос. После работы 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 когерентности ). Это привело к введению когерентного состояния в качестве квантового описания лазерного света и осознанию того, что некоторые состояния света не могут быть описаны классическими волнами. В 1977 году Кимбл и др. продемонстрировали первый источник света, который требовал квантового описания: один атом, который испускал один фотон за раз. Вскоре было предложено другое квантовое состояние света с определенными преимуществами по сравнению с любым классическим состоянием — сжатый свет . В то же время разработка коротких и сверхкоротких лазерных импульсов, созданных с помощью методов модуляции добротности и синхронизации мод , открыла путь к изучению невообразимо быстрых (« сверхбыстрых ») процессов. Были найдены приложения для исследования твердого тела (например, спектроскопия Рамана ), а также изучались механические силы света, действующие на вещество. Последнее привело 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 важнейшей технологией, необходимой для достижения знаменитой конденсации Бозе-Эйнштейна .
Другие замечательные результаты — 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 понижение частоты , параметрические колебания , еще более короткие (аттосекундные) световые импульсы, использование квантовой оптики для получения квантовой информации , манипулирование отдельными атомами и конденсатами Бозе-Эйнштейна , их применение и способы манипулирования ими (подотрасль, часто называемая атомной оптикой ).
