Демокрит из Абдеры, живший в 5 веке до нашей эры, высказывал мнение, что все в этом мире условно, реальностью являются только атомы и пустота. Сохранились исторические документы, подтверждающие его авторство понятия света как потока частиц, которые наделены определенными физическими свойствами. Но понятие «оптика» появится позднее. Зерна Демокрита из Абдеры, посеянные в процессе постижения структуры света, дали свои ростки.
История происхождения слова оптика
В третьем веке до нашей эры древнегреческий ученый Евклид формулирует законы распространения света в трактате «Оптика». По сути, это событие можно считать зарождением геометрической (или линейной) оптики. После появления попытки систематизации знаний о свойствах света прошли многие века прежде чем набор теорий и законов оформился в науку.
Нерешаемым вопросом долгое время оставалась природа происхождения цвета. Высказывались мнения о том, что цвет - это смесь света и тьмы в разных пропорциях (Аристотель), а также версия о разной скорости вращения световых частиц (Декарт).
Настоящим прорывом стали открытия 17 века в сфере волновой оптики. Но стройкой версии о том, что такое оптика, объясняющей существование дифракции, интерференции и других свойств света, не существовало. Господство корпускулярной теории происхождения света пошатнул Ньютон. Он прекрасно осознавал плюсы и минусы как корпускулярной, так и волновой теорий.
Поэтому в его трактате «Оптика» детально прописана математическая модель корпускулярно-волновой теории света. Основные понятия оптики (волновой или физической) построены на ньютоновских моделях. Описание распространения световых волн содержит принцип Гюйгенса-Френеля, который и стал основанием для развития физической теории.
Только в начале 19 века Классическая оптика обрела свои черты, узнаваемые современниками, и предстала как наука.
Значение термина
Термин греческого происхождения (ὀπτική - учение о зрительных восприятиях) в современной жизни имеет несколько толкований: раздел такой науки как физика и, часто употребляемое в повседневной жизни, собирательное значение.
Что такое оптика как область физики? Это раздел, в котором изучаются особенности распространения света в разных средовых условиях и взаимодействие с различными веществами. Определение оптики в физике базируется на изучаемых явлениях, поэтому существует разделение на классическую и квантовую оптику. В то же время первый вид представлен геометрическим (лучевой) и физическим (волновой) разделами.
Значение слова оптика в повседневной жизни имеет собирательный характер и применяется для обозначения приборов, инструментов, в работе которых используются законы вышеописанной науки.
Оптика как раздел науки
Область физики, исследующая распространение электромагнитных волн широкого диапазона (видимого, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновские и гамма-лучи). Свойства и характеристики их приведены в таблице ниже.
Виды излучений | Частота/ Гц | Длина/м | Свойства | Источник |
Инфракрасное излучение | от 1012 до 3,75 × 1014 | 30×10-4 8×10-7 | Отражение, дифракция, преломление, поляризация | Тепловое фотокопирование, электрический камин. |
Видимый свет | 7,5×1014 | 4×10-7 | Отражение, дифракция, преломление, поляризация | Лампа накаливания, молния. |
Ультрафиолетовое излучение | 3×1017 | 10-9 | фотохимические | Углеродная дуга |
Рентгеновское излучение | 3×1020 | 10-12 | Проникающая способность, дифракция | Рентгеновская трубка |
Гамма-излучение | 1023 | 3×10-15 | Космические процессы, ядерные процессы | Циклотрон, Кобальт 60 |
Разнообразие разделов оптики соответствует количеству исследуемых процессов:
Классическая оптика | Квантовая оптика | ||
Геометрическая (или линейная) Световой луч (распространяемый в однородной среде) рассматривается как линия, которая изменяет направление по определенным правилам при отражении и преломлении. Свет как волна не рассматривается. | Физическая (или волновая) Взаимодействие света и электромагнитных лучей с разнородными средами (веществами). | Квантовая оптика изучает проявления квантовых особенностей света, а также взаимодействие с веществами на основе квантовой структуры объектов и особенных условий распространения. | |
Адаптивная оптика — изучает возможности коррекции нерегулярных искажений при распределении света в неоднородной среде с опорой на оптические управляемые элементы. | Кристаллооптика — изучает распространение света в анизотропных средах и кристаллах через рассмотрение явлений двойного лучепреломления, поляризации света и др. | Физика лазера – изучает принципы работы лазеров и возможности применения их в исследованиях, медицине, промышленности и иных сферах жизни общества. | |
Интегральная оптика — изучает распространение волн в планарных оптических волноводах. | |||
Градиентная оптика — изучает оптические свойства веществ с меняющимися показателями преломления по координатам («лужи» на асфальте в жаркий день). | Рентгеновская оптика — прикладная отрасль, которая отслеживает распространение лучей рентгеновского диапазона в разных средах. | Нелинейная оптика — изучает световые явления при взаимодействии с веществами, обладающими нелинейной реакцией поляризации на напряженность электрического поля волны. | |
Электронная оптика — исследует особенности фокусировки, транспортировки в магнитных и электрических полях заряженных частиц. | |||
Классификация раздела оптика соответствует историческому развитию учения о свойствах света:
- геометрическая – 3 век до нашей эры (Евклид);
- физическая – 17 век (Гюйгенс);
- квантовая – 20 век (Планк).
Геометрическая или Евклидова оптика
В 3 веке до нашей эры ученые больше интересовались законами распространения света, нежели его природой. Отсюда и определение оптики, как науки о распространении светового луча в однородной среде.
При помощи изучения движения луча света удалось прояснить многие явления: образование радуг, миражей, искривление лучей. Методы геометрической оптики используются современниками при проектировании различных оптических приборов.
Особенности лучевой оптики заключаются в учете и изучении лучей, падающих под малыми углами к оси, что приводит к упрощению теоретических расчетов. Этот эффект называется параксиальным приближением, используется во многих оптических приборах.
Физическая оптика
Учение о волновой природе явлений возникло из многочисленных наблюдений и экспериментов, не попадающих под описание теории распространения луча. Что такое оптика волн? Она часто именуется Гюйгеновской, однако, нидерландский физик скорее подытожил изыскания своих современников, чем открыл новые законы. Этот факт не умаляет его вклада в развитие отрасли.
Основой для возникновения известного сегодня принципа Гюйгенса-Френеля были труды не менее известных ученых Роберта Гука и Исаака Ньютона. Трактат «Оптика» последнего можно расценить как попытку объединения корпускулярной и волновой теорий, существовавших в то время, воедино.
Следует отметить, что физическая оптика, изучающая распределение сложных импульсов посредством оптических систем с учетом амплитуды и фазы волны, появилась только в начале 19 века. В настоящее время в этом разделе оптики проводится систематизация вычислений для более полного описания рассматриваемых моделей.
Квантовая оптика
Что такое оптика фотонов? Идея описания электромагнитного поля при помощи квантов в начале 20 века была выдвинута Максом Планком. Он предположил, что излучение света происходит определенными частями – квантами. В дальнейшем было доказано, что он не только излучается парциально, но и поглощается. Это позволило Альберту Эйнштейну сделать вывод о дискретной структуре света.
Через некоторое время кванты света начали называть фотонами, а поток рассматривался как группа частиц. Таким образом, в квантовой оптике свет рассматривался и как волна, и как поток частиц одновременно, поскольку такие явления, как дифракция и интерференция нельзя объяснить при помощи потока фотонов.
В середине 20 века эксперимент Брауна – Твисса, позволил уточнить территорию применения квантовой оптики. Они доказали, что некоторое количество источников света, излучающих фотоны на два фотоприемника, которые подают звуковой сигнал о регистрации частиц, могут заставить аппараты срабатывать одновременно. Эксперимент проводился с разными источниками света.
После чего были сделаны выводы о существовании света с парной корреляцией фотонов (для источников с одновременным срабатыванием сигнала на приемниках) и с антигруппировкой световых частиц (для источников, которые никогда не позволяют добиться одновременного срабатывания приемников).
Опыт доказал деление света на двух- и однофотонный. Отсюда можно сделать вывод, что существуют состояния света, которые невозможно объяснить при помощи классической оптики, называются они неклассические. Разработка практического применения неклассического света приводит к поразительным результатам. Поэтому квантовая оптика – современное направление с обширными возможностями в изучении и применении.
Физиологическая оптика
Этот раздел считается междисциплинарным по ряду причин. Учитывая законы оптики, основывается на таких науках, как биофизика, биохимия, психология зрительного восприятия, возрастная психология и физиология. Имеет практическое направление. Изучению подвергаются все элементы зрительного аппарата. Уделяется внимание редким явлениям, например, оптической иллюзии.
Результаты исследований применяются в медицине, физиологии, оптической технике, киноиндустрии.
Оптика. Что можно купить?
На бытовом уровне чаще употребляется слово оптика как название магазина. Естественно, в нем можно приобрести разнообразные приборы технической оптики - очки, линзы, механизмы коррегирующие и защищающие зрение. На современном этапе оборудование таких заведений позволяет на месте определить остроту зрения, существующие проблемы и методы их устранения. Подобрать линзы с нужным эффектом и сделать заказ, либо приобрести уже готовый товар.
В заключение
По истечении многих веков можно убедиться, что Демокрит из Абдеры был все же прав по поводу частиц и пустоты, а о существовании или отсутствии всего остального каждый человек принимает решение сам.
