Введение
Оптика зародилась с изобретением линз древними египтянами и месопотамцами, за которым последовало развитие теорий о свете и зрении древнегреческими философами и становление геометрической оптики в греко-римском мире. Слово «оптика» происходит от греческого термина τα ὀπτικά, означающего «внешний вид, зрение». Оптика претерпела значительные изменения благодаря достижениям в средневековом исламском мире, таким как зарождение физической и физиологической оптики, а затем значительно продвинулась в ранней Новой Европе, где началась дифракционная оптика. Эти ранние исследования оптики теперь известны как «классическая оптика». Термин «современная оптика» относится к областям оптических исследований, которые в основном развивались в XX веке, таким как волновая оптика и квантовая оптика.
Optics began with the development of lenses by the ancient Egyptians and Mesopotamians, followed by theories on light and vision developed by ancient Greek philosophers, and the development of geometrical optics in the Greco Roman world. The word optics is derived from the Greek term τα ὀπτικά meaning 'appearance, look'. Optics was significantly reformed by the developments in the medieval Islamic world, such as the beginnings of physical and physiological optics, and then significantly advanced in early modern Europe, where diffractive optics began. These earlier studies on optics are now known as "classical optics". The term "modern optics" refers to areas of optical research that largely developed in the 20th century, such as wave optics and quantum optics.
Геометрическая оптика
Первые авторы, о которых идет речь, рассматривали зрение скорее как геометрическую, чем как физическую, физиологическую или психологическую проблему. Первым известным автором трактата о геометрической оптике был геометр Евклид (ок. 325–265 гг. до н.э.). Евклид начал изучение оптики, как и геометрии, с набора самоочевидных аксиом. Линии (или зрительные лучи) могут быть проведены по прямой к объекту. Эти линии, падающие на объект, образуют конус. Те объекты, на которые падают линии, видны. Объекты, видимые под большим углом, кажутся больше. Объекты, видимые более высоким лучом, кажутся выше. Правый и левый лучи воспринимаются справа и слева. Объекты, видимые под разными углами, кажутся более четкими. Евклид не определял физическую природу этих зрительных лучей, но, используя принципы геометрии, он исследовал эффекты перспективы и округлость объектов, видимых на расстоянии. Если Евклид ограничивал свой анализ простым прямым зрением, то Герон Александрийский (ок. 10–70 гг. н.э.) расширил принципы геометрической оптики, чтобы рассмотреть проблемы отражения (катаоптику). В отличие от Евклида, Герон иногда комментировал физическую природу зрительных лучей, указывая, что они с большой скоростью исходят из глаза к видимому объекту и отражаются от гладких поверхностей, но могут застревать в порах неполированных поверхностей. Это получило название теории эмиссии. Герон продемонстрировал равенство угла падения и отражения, основываясь на том, что это кратчайший путь от объекта к наблюдателю. На этой основе он смог определить фиксированное соотношение между объектом и его изображением в плоском зеркале. В частности, изображение кажется находящимся на таком же расстоянии за зеркалом, как объект находится перед ним. Как и Герон, Клавдий Птолемей во второй книге "Оптика" рассматривал зрительные лучи как исходящие из глаза к видимому объекту, но, в отличие от Герона, считал, что зрительные лучи не являются дискретными линиями, а образуют непрерывный конус. В "Оптике" задокументированы исследования Птолемея о отражении и преломлении. Он измерил углы преломления между воздухом, водой и стеклом, но его опубликованные результаты показывают, что он корректировал свои измерения, чтобы они соответствовали его (неверному) предположению о том, что угол преломления пропорционален углу падения.
В исламском мире
Аль-Кинди (ок. 801–873) был одним из первых значимых авторов по оптике в исламском мире. В труде, известном на Западе как De radiis stellarum, аль-Кинди разработал теорию о том, что "все в мире излучает лучи во всех направлениях, которые заполняют все мироздание". Эта теория активной силы лучей оказала влияние на более поздних ученых, таких как Ибн аль-Хайсам, Роберт Гроссетест и Роджер Бэкон. Ибн Сахл, математик, работавший в Багдаде в 980-х годах, является первым исламским ученым, которому известно составление комментария к "Оптике" Птолемея. Его трактат Fī al-'āla al-muḥriqa "О жгучих инструментах" был реконструирован из фрагментарных рукописей Рашедом (1993). Работа посвящена тому, как изогнутые зеркала и линзы преломляют и фокусируют свет. Ибн Сахл также описывает закон преломления, математически эквивалентный закону Снеллиуса. Он использовал свой закон преломления для вычисления формы линз и зеркал, фокусирующих свет в одной точке на оси. Ибн аль-Хайсам (известный как Альхазен или Альхазен в Западной Европе), писавший в 1010-х годах, получил как трактат Ибн Сахла, так и частичный арабский перевод "Оптики" Птолемея. Он создал всесторонний и систематический анализ греческих оптических теорий. Ключевым достижением Ибн аль-Хайсама было двойственное: во-первых, он настаивал, вопреки мнению Птолемея, на том, что зрение происходит благодаря лучам, входящим в глаз; во-вторых, он определил физическую природу лучей, обсуждаемых более ранними авторами по геометрической оптике, рассматривая их как формы света и цвета. Затем он проанализировал эти физические лучи в соответствии с принципами геометрической оптики. Он написал множество книг по оптике, наиболее значительной из которых является "Книга оптики" (Kitab al Manazir на арабском языке), переведенная на латынь как De aspectibus или Perspectiva, которая распространила его идеи в Западной Европе и оказала большое влияние на дальнейшее развитие оптики. Авиценна (980–1037) согласился с Альхазеном в том, что скорость света конечна, поскольку он "отметил, что если восприятие света обусловлено излучением частиц источником света, то скорость света должна быть конечной". Абу Райхан аль-Бируни (973–1048) также считал, что скорость света конечна, и утверждал, что она намного превышает скорость звука. Абу Абдалла Мухаммад ибн Маудх, живший в Аль-Андалусе во второй половине XI века, написал труд по оптике, позднее переведенный на латынь как Liber de crepisculis, который ошибочно приписывался Альхазену. Это был "небольшой труд, содержащий оценку угла депрессии 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". Благодаря своим экспериментам он получил значение 18°, которое близко к современному значению. В конце XIII и начале XIV веков Кутб ад-Дин аш-Ширази (1236–1311) и его ученик Камаль ад-Дин аль-Фариси (1260–1320) продолжили работу Ибн аль-Хайсама и были одними из первых, кто дал правильное объяснение феномену радуги. Аль-Фариси опубликовал свои результаты в своем Kitab Tanqih al Manazir ("Уточнение [Оптики] Ибн аль-Хайсама").
В средневековой Европе
Английский епископ Роберт Гроссетест (ок. 1175–1253) писал на широкий спектр научных тем во времена возникновения средневекового университета и восстановления работ Аристотеля. Гроссетест отразил переходный период между платонизмом раннего средневекового обучения и новым аристотелизмом, поэтому он, как правило, применял математику и платоническую метафору света во многих своих произведениях. Ему приписывают обсуждение света с четырех различных точек зрения: эпистемология света, метафизика или космогония света, этиология или физика света и теология света. Отходя от вопросов эпистемологии и теологии, космогония света Гроссетеста описывает происхождение Вселенной в том, что можно условно назвать средневековой теорией «Большого взрыва». И его библейский комментарий, «Гексамерон» (1230 x 35), и его научный труд «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 генеративной силы расширяющейся (и сжимающейся) сферы света. Его более общее рассмотрение света как первичного агента физической причинности представлено в его труде «О линиях, углах и фигурах», где он утверждает, что «естественный агент распространяет свою силу от себя к воспринимающему», а также в «О природе мест», где он отмечает, что «каждое естественное действие варьируется по силе и слабости в зависимости от изменения линий, углов и фигур». Английский францисканец Роджер Бэкон (ок. 1214–1294) был сильно подвержен влиянию сочинений 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 труды Альхазена, Аристотеля, Авиценны, Аверроэса, Евклида, аль-Кинди, Птолемея, Тидея и Константина Африканца. Хотя он не был слепым подражателем, он заимствовал свой математический анализ света и зрения из трудов арабского писателя Альхазена. Однако к этому он добавил неоплатоническую концепцию, возможно, заимствованную у Гроссетеста, о том, что каждый объект излучает силу (виды), посредством которой он воздействует на близлежащие объекты, способные воспринять эти виды. Следует отметить, что оптическое использование Бэконом термина «виды» существенно отличается от категорий рода/вида, встречающихся в философии Аристотеля. Несколько более поздних работ, включая влиятельный «Моральный трактат о глазе» (лат. Tractatus Moralis de Oculo) Петра Лиможского (1240–1306), помогли популяризировать и распространить идеи, содержащиеся в трудах Бэкона. Другой английский францисканец Джон Печем (умер в 1292 году) опирался на работы Бэкона, Гроссетеста и множества других авторов, чтобы создать наиболее широко используемый учебник по оптике Средневековья – Perspectiva communis. Его книга была сосредоточена на вопросе зрения, на том, как мы видим, а не на природе света и цвета. Печем следовал модели, предложенной Альхазеном, но интерпретировал идеи Альхазена в духе Роджера Бэкона. Как и его предшественники, Витело (родился ок. 1230 года, умер между 1280 и 1314 годами) использовал обширный корпус оптических работ, недавно переведенных с греческого и арабского языков, чтобы создать масштабное изложение предмета под названием Perspectiva. Его теория зрения следует за Альхазеном, и он не рассматривает концепцию видов Бэкона, хотя отрывки из его работы демонстрируют, что он находился под влиянием идей Бэкона. Судя по количеству сохранившихся рукописей, его работа не была столь влиятельной, как работы Печема и Бэкона, однако его значение, как и значение Печема, возросло с изобретением книгопечатания. Теодорик Фрайбергский (ок. 1250–ок. 1310) был одним из первых в Европе, кто дал правильное научное объяснение феномену радуги, наряду с Кутб ад-Дином аш-Ширази (1236–1311) и его учеником Камалем ад-Дином аль-Фариси (1260–1320), упомянутыми выше.
Ренессанс и ранний современный период
Иоганн Кеплер (1571–1630) продолжил исследование законов оптики, начатое в его лунном эссе 1600 года. Виллеброрд Снеллиус (1580–1626) обнаружил 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 составляет 42° (то есть угол, под которым глаз видит край радуги и её центр, равен 42°). Он также независимо открыл закон отражения, а его эссе по оптике стало первым опубликованным упоминанием об этом законе. Кристиан Гюйгенс (1629–1695) написал несколько работ в области оптики, включая Opera reliqua (также известная как Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii toparchae, opuscula posthuma) и Traité de la lumière. Исаак Ньютон (1643–1727) исследовал преломление света, продемонстрировав, что призма способна разлагать белый свет на спектр цветов, а линза и вторая призма могут вновь собирать многоцветный спектр в белый свет. Он также показал, что цветной свет не изменяет своих свойств, разделяя цветной луч и направляя его на различные объекты. Ньютон заметил, что независимо от того, отражается ли свет, рассеивается или проходит сквозь объект, он сохраняет свой цвет. Таким образом, он пришел к выводу, что цвет является результатом взаимодействия объектов с уже окрашенным светом, а не способностью самих объектов генерировать цвет. Это известно как теория цвета Ньютона. Исходя из этих работ, он заключил, что любой преломляющий телескоп будет страдать от дисперсии света на цвета, и изобрел отражающий телескоп (в настоящее время известный как телескоп Ньютона), чтобы обойти эту проблему. Он самостоятельно изготавливал зеркала, используя кольца Ньютона для оценки качества оптики своих телескопов, и смог создать инструмент, превосходящий преломляющий телескоп, главным образом благодаря большему диаметру зеркала. В 1671 году Королевское общество попросило его продемонстрировать свой отражающий телескоп. Их интерес побудил его опубликовать свои заметки о цвете, которые он впоследствии расширил в свою книгу «Оптика». Ньютон утверждал, что свет состоит из частиц или корпускул и преломляется, ускоряясь при переходе в более плотную среду, но ему пришлось связать их с волнами, чтобы объяснить дифракцию света (Opticks Bk. II, Props. XII L). Позднее физики отдали предпочтение чисто волновому объяснению света для учета дифракции. Современная квантовая механика, фотоны и идея волново-частичного дуализма лишь незначительно напоминают понимание света Ньютоном. В своей «Гипотезе о свете» 1675 года Ньютон предположил 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, обычная материя – из более грубых корпускул, и предположил, что посредством некоего рода алхимической трансмутации «не могут ли грубые тела и свет быть преобразованы друг в друга, и не могут ли тела получать значительную часть своей активности от частиц света, входящих в их состав?»
Дифракционная оптика
Эффекты дифракции света были тщательно изучены и охарактеризованы Франческо Марией Гримальди, который также ввёл термин «дифракция», происходящий от латинского diffringere, что означает «разбивать на части», описывая разделение света на различные направления. Результаты наблюдений Гримальди были опубликованы посмертно в 1665 году. Исаак Ньютон изучал эти эффекты и приписывал их изгибу световых лучей. Джеймс Грегори (1638–1675) наблюдал дифракционные картины, создаваемые птичьим пером, что фактически было первой дифракционной решёткой. В 1803 году Томас Янг провёл свой знаменитый эксперимент, наблюдая интерференцию от двух близко расположенных щелей в своём интерферометре с двумя щелями. Объясняя свои результаты интерференцией волн, исходящих из двух различных щелей, он пришёл к выводу, что свет должен распространяться в виде волн. Августен Жан Френель провёл более точные исследования и расчёты дифракции, опубликованные в 1815 и 1818 годах, и тем самым оказал значительную поддержку волновой теории света, предложенной Кристианом Гюйгенсом и возрождённой Янгом, в противовес корпускулярной теории Ньютона.
Линзы и производство линз
Существуют спорные археологические свидетельства использования линз в древности, охватывающие несколько тысячелетий. Предполагается, что стеклянные накладки на глаза, изображенные в иероглифах из Древнего царства Египта (ок. 2686–2181 гг. до н.э.), были функциональными простыми стеклянными менисковыми линзами. Аналогично, так называемая линза из Нимруда, кристалл горного хрусталя, датируемый VII веком до н.э., могла использоваться как лупа или являться украшением. Самое раннее письменное упоминание об увеличении относится к I веку н.э., когда Сенека Младший, воспитатель императора Нерона, писал: «Буквы, какими бы маленькими и неразборчивыми они ни были, видны увеличенными и более четкими сквозь шар или сосуд, наполненный водой». Говорят, что сам император Нерон смотрел гладиаторские бои, используя изумруд в качестве корректирующей линзы. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) описал эффекты стенового отверстия, вогнутых линз и луп в своей книге «Оптика», написанной в 1021 году н.э. Английский монах Роджер Бэкон в своих трудах по оптике 1260-х или 1270-х годов, частично основанных на работах арабских авторов, описал принцип действия корректирующих линз для зрения и собирательных линз. Эти труды были планом для более крупной публикации, которая так и не была издана, поэтому его идеи не получили широкого распространения. Между XI и XIII веками были изобретены «читальные камни». Часто использовавшиеся монахами для помощи в иллюминировании рукописей, это были примитивные плоско-выпуклые линзы, изначально изготавливавшиеся путем разрезания стеклянной сферы пополам. В ходе экспериментов с камнями постепенно стало понятно, что линзы с меньшей кривизной увеличивают более эффективно. Около 1286 года, предположительно в Пизе (Италия), была изготовлена первая пара очков, однако неизвестно, кто был их изобретателем. Самыми ранними известными рабочими телескопами были рефракционные телескопы, появившиеся в Нидерландах в 1608 году. Их изобретатель неизвестен: Ханс Липперсгей подал заявку на первый патент в том же году, за которой через две недели последовала заявка Якоба Метиуса из Алкмара (ни одна из заявок не была удовлетворена, поскольку в то время существовало множество подобных устройств). В следующем году Галилео Галилей значительно усовершенствовал эти конструкции. Исаак Ньютон создал первый функциональный рефлекторный телескоп в 1668 году – свой ньютоновский рефлектор. Самые ранние известные примеры составных микроскопов, сочетающих объектив вблизи образца с окуляром для наблюдения реального изображения, появились в Европе около 1620 года. Их конструкция очень похожа на конструкцию телескопа, и, как и в случае с телескопом, их изобретатель неизвестен. Снова споры разгораются вокруг центров производства очков в Нидерландах, включая утверждения о том, что он был изобретен в 1590 году Захарием Янссеном и/или его отцом Гансом Мартенсом, утверждения о том, что он был изобретен конкурентом-очковым мастером Гансом Липперсгеем, и утверждения о том, что он был изобретен эмигрантом Корнелисом Дреббелем, у которого, как известно, была версия в Лондоне в 1619 году. Галилео Галилей (также иногда упоминаемый как изобретатель микроскопа) обнаружил после 1609 года, что он может фокусировать свой телескоп для наблюдения мелких объектов, и, увидев составной микроскоп, созданный Дреббелем и выставленный в Риме в 1624 году, построил свою собственную улучшенную версию. Название «микроскоп» придумал Джованни Фабер, который дал это название составному микроскопу Галилея Галилея в 1625 году.
written works on optics, partly based on the works of Arab writers, described the function of corrective lenses for vision and burning glasses. These volumes were outlines for a larger publication that was never produced so his ideas never saw mass dissemination. Between the 11th and 13th century "reading stones" were invented. Often used by monks to assist in illuminating manuscripts, these were primitive plano convex lenses initially made by cutting a glass sphere in half. As the stones were experimented with, it was slowly understood that shallower lenses magnified more effectively. Around 1286, possibly in Pisa, Italy, the first pair of eyeglasses were made, although it is unclear who the inventor was. The earliest known working telescopes were the refracting telescopes that appeared in the Netherlands in 1608. Their inventor is unknown: Hans Lippershey applied for the first patent that year followed by a patent application by Jacob Metius of Alkmaar two weeks later (neither was granted since examples of the device seemed to be numerous at the time). Galileo greatly improved upon these designs the following year. Isaac Newton is credited with constructing the first functional reflecting telescope in 1668, his Newtonian reflector. The earliest known examples of compound microscopes, which combine an objective lens near the specimen with an eyepiece to view a real image, appeared in Europe around 1620. The design is very similar to the telescope and, like that device, its inventor is unknown. Again claims revolve around the spectacle making centers in the Netherlands including claims it was invented in 1590 by Zacharias Janssen and/or his father, Hans Martens, claims it was invented by rival spectacle maker, Hans Lippershey, and claims it was invented by expatriate Cornelis Drebbel who was noted to have a version in London in 1619. Galileo Galilei (also sometimes cited as a compound microscope inventor) seems to have found after 1609 that he could close focus his telescope to view small objects and, after seeing a compound microscope built by Drebbel exhibited in Rome in 1624, built his own improved version. The name microscope was coined by Giovanni Faber, who gave that name to Galileo Galilei's compound microscope in 1625.
Квантовая оптика
Свет состоит из частиц, называемых фотонами, и поэтому по своей сути квантуется. Квантовая оптика — это изучение природы и эффектов света как квантованных фотонов. Первое указание на то, что свет может быть квантован, появилось благодаря Максу Планку в 1899 году, когда он правильно описал излучение абсолютно черного тела, предположив, что обмен энергией между светом и материей происходит только дискретными порциями, которые он назвал квантами. Оставалось неясным, является ли источником этой дискретности материя или свет. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал теорию фотоэффекта. Единственным возможным объяснением этого эффекта, казалось, было квантование самого света. Позже Нильс Бор показал, что атомы могут излучать только дискретные количества энергии. Понимание взаимодействия между светом и материей, вытекающее из этих достижений, не только заложило основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Однако, области квантовой механики, изучающие взаимодействие света и материи, в основном рассматривались как исследования материи, а не света, и поэтому чаще говорили об атомной физике и квантовой электронике. Это изменилось 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 лазера, стала изучаться с большим акцентом на свойствах света, и название «квантовая оптика» стало общепринятым. Поскольку лазерной науке требовалась прочная теоретическая база, а исследования в этой области вскоре оказались весьма плодотворными, интерес к квантовой оптике возрос. После работ Дирака в квантовой теории поля, Джордж Сударшан, Рой Глаубер и Леонард Мандель применили квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более глубокое понимание фотодетектирования и статистики света (см. степень когерентности). Это привело к введению когерентного состояния как квантового описания лазерного света и к осознанию того, что некоторые состояния света нельзя описать классическими волнами. В 1977 году Кимбл и др. продемонстрировали первый источник света, требующий квантового описания: отдельный атом, излучающий один фотон за раз. Вскоре было предложено другое квантовое состояние света, обладающее определенными преимуществами перед любым классическим состоянием — сжатый свет. Одновременно разработка коротких и ультракоротких лазерных импульсов, создаваемых методами Q-переключения и модуляции фазы, открыла путь к изучению невообразимо быстрых («ультрабыстрых») процессов. Нашли применение в исследованиях твердого тела (например, спектроскопия Рамана), а также изучались механические силы света, действующие на материю. 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, стало ключевой технологией, необходимой для достижения знаменитой конденсации Бозе — Эйнштейна. Среди других замечательных результатов — демонстрация квантовой запутанности, квантовой телепортации и (недавно, в 1995 году) квантовых логических элементов. Последние представляют большой интерес для теории квантовой информации, предмета, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической информатики. Сегодняшние области интересов исследователей квантовой оптики включают параметрическое преобразование вниз, параметрические колебания, еще более короткие (атосекундные) световые импульсы, использование квантовой оптики для квантовой информации, манипулирование отдельными атомами и конденсатами Бозе — Эйнштейна, их применение и способы управления ими (подполе, часто называемое атомной оптикой).