Historia optyki - History of optics

Optyka rozpoczęła się wraz z rozwojem soczewek przez starożytnych Egipcjan i Mezopotamczyków , następnie przez teorie światła i widzenia opracowane przez starożytnych filozofów greckich oraz rozwój optyki geometrycznej w świecie grecko-rzymskim . Słowo optyka pochodzi od greckiego terminu τα ὀπτικά oznaczającego „wygląd, wygląd”. Optyka została znacząco zreformowana przez wydarzenia w średniowiecznym świecie islamskim , takie jak początki optyki fizycznej i fizjologicznej, a następnie znacznie rozwinęła się we wczesnej nowożytnej Europie , gdzierozpoczęła się optyka dyfrakcyjna . Te wcześniejsze badania nad optyką są obecnie znane jako „optyka klasyczna”. Termin „optyka współczesna” odnosi się do obszarów badań optycznych, które w dużej mierze rozwinęły się w XX wieku, takich jak optyka falowa i optyka kwantowa .

Wczesna historia

W starożytnych Indiach , filozoficzne szkoły Samkhya i waiśeszika , z całego wpne 6-5th, opracowane teorie na światło. Według szkoły sankhji światło jest jednym z pięciu podstawowych „subtelnych” elementów ( tanmatra ), z których wyłaniają się elementy wulgarne.

W przeciwieństwie do tego szkoła Vaisheshika podaje atomową teorię świata fizycznego na nieatomowej podstawie eteru , przestrzeni i czasu. (Patrz atomizm indyjski .) Podstawowymi atomami są atomy ziemi ( prthivı ), wody ( apas ), ognia ( tejas ) i powietrza ( vayu ), których nie należy mylić ze zwykłym znaczeniem tych terminów. Te atomy tworzą binarne cząsteczki, które łączą się dalej, tworząc większe cząsteczki. Ruch jest definiowany w kategoriach ruchu atomów fizycznych. Promienie świetlne są traktowane jako strumień o dużej prędkości atomów tejas (ognia). Cząsteczki światła mogą wykazywać różne właściwości w zależności od prędkości i ułożenia atomów tejas . Około I wieku pne Wisznupurana odnosi się do światła słonecznego jako „siedmiu promieni słońca”.

W V wieku pne Empedokles postulował, że wszystko składa się z czterech elementów ; ogień, powietrze, ziemia i woda. Wierzył, że Afrodyta stworzyła ludzkie oko z czterech żywiołów i rozpaliła w oku ogień, który błyszczał z oka, umożliwiając widzenie. Gdyby to była prawda, to w nocy można było widzieć tak samo dobrze jak w dzień, więc Empedokles postulował interakcję między promieniami z oczu a promieniami ze źródła takiego jak słońce. Stwierdził, że światło ma skończoną prędkość.

Oddzielne znaczące postępy w optyce osiągnięto również w starożytnych Chinach.

W swojej Optyce grecki matematyk Euclid zauważył, że „rzeczy widziane pod większym kątem wydają się większe, a pod mniejszym kątem mniejsze, podczas gdy te pod równymi kątami wydają się równe”. W 36 kolejnych propozycjach Euklides wiąże pozorny rozmiar obiektu z jego odległością od oka i bada pozorne kształty walców i stożków oglądane pod różnymi kątami. Pappus uważa te wyniki za ważne w astronomii i ujęte Euklidesa optyka , wraz ze swoim Phaenomena w Małej Astronomii , kompendium mniejszych prac mają być badane przed składniach ( Almagestu ) z Ptolemeusza .

W 55 pne Lukrecjusz , rzymski atomista , napisał:

Bo z każdej odległości ogień może rzucać nam swoje światło i tchnąć ciepłem w nasze kończyny, nie tracą nic z ciała swoich płomieni z powodu przestrzeni między przestrzeniami, ich ogień nie jest ani odrobinę skurczony na widok.

W swoim Catoptrica , Heron z Aleksandrii pokazał przez geometryczny sposób, że rzeczywista ścieżka podjęte przez promień światła odbitego od lustra samolot jest krótszy niż jakikolwiek inny odbitego ścieżkę, która może być wykorzystana między źródłem a punktem obserwacji.

W II wieku Klaudiusz Ptolemeusz w swojej Optyce podjął studia nad odbiciem i załamaniem . Zmierzył kąty załamania światła między powietrzem, wodą i szkłem, a jego opublikowane wyniki wskazują, że dostosował swoje pomiary do swojego (błędnego) założenia, że kąt załamania jest proporcjonalny do kąta padania .

Indyjscy buddyści , tacy jak Dignaga w V wieku i Dharmakirti w VII wieku, rozwinęli rodzaj atomizmu, który jest filozofią mówiącą o tym, że rzeczywistość składa się z bytów atomowych, które są chwilowymi błyskami światła lub energii. Postrzegali światło jako jednostkę atomową równoważną energii, podobną do współczesnej koncepcji fotonów , chociaż postrzegali również całą materię jako złożoną z cząstek światła/energii.

Optyka geometryczna

Zobacz także: Optyka geometryczna i Ray (optyka)

Omawiani tu wcześni pisarze traktowali widzenie bardziej jako problem geometryczny niż jako problem fizyczny, fizjologiczny czy psychologiczny. Pierwszym znanym autorem traktatu o optyce geometrycznej był geometr Euklides (ok. 325–265 pne). Euclid rozpoczął studia nad optyką, tak jak zaczął studiować geometrię, z zestawem oczywistych aksjomatów.

  1. Linie (lub promienie wizualne) można rysować w linii prostej do obiektu.
  2. Te linie spadające na przedmiot tworzą stożek.
  3. Widzimy te rzeczy, na które padają linie.
  4. Rzeczy widziane pod większym kątem wydają się większe.
  5. Te rzeczy widziane przez wyższy promień wydają się wyższe.
  6. Prawe i lewe promienie pojawiają się po prawej i lewej stronie.
  7. Rzeczy widziane pod kilkoma kątami wydają się wyraźniejsze.

Euklides nie określił fizycznej natury tych wizualnych promieni, ale posługując się zasadami geometrii, omówił efekty perspektywy i zaokrąglenia rzeczy widzianych z daleka.

Tam, gdzie Euklides ograniczył swoją analizę do prostego widzenia bezpośredniego, Hero z Aleksandrii (ok. 10–70 rne) rozszerzył zasady optyki geometrycznej, aby uwzględnić problemy odbicia (katoptryka). W przeciwieństwie do Euklidesa, Hero od czasu do czasu komentował fizyczną naturę promieni wizualnych, wskazując, że przemieszczają się one z dużą prędkością od oka do widzianego obiektu i odbijają się od gładkich powierzchni, ale mogą zostać uwięzione w porowatościach niepolerowanych powierzchni. Stało się to znane jako teoria emisji .

Hero zademonstrował równość kąta padania i odbicia na tej podstawie, że jest to najkrótsza droga od obiektu do obserwatora. Na tej podstawie był w stanie określić stałą relację między obiektem a jego obrazem w lustrze płaskim. W szczególności obraz wydaje się być tak daleko za lustrem, jak obiekt naprawdę znajduje się przed lustrem.

Podobnie jak Hero, Ptolemeusz w swojej Optyce (zachowanej tylko w postaci łacińskiego tłumaczenia poważnie wadliwej wersji arabskiej) uważał, że promienie wizualne biegną od oka do widzianego obiektu, ale w przeciwieństwie do Hero, uważał, że promienie wizualne nie są dyskretne linie, ale tworzą ciągły stożek. Ptolemeusz rozszerzył badanie widzenia poza widzenie bezpośrednie i odbite; badał także widzenie za pomocą promieni załamanych (dioptria), kiedy widzimy obiekty przez granicę między dwoma ośrodkami o różnej gęstości. Przeprowadził eksperymenty, aby zmierzyć ścieżkę widzenia, gdy patrzymy z powietrza na wodę, z powietrza na szkło i od wody na szkło, i zestawił relację między padaniem a załamanymi promieniami.

Jego tabelaryczne wyniki zostały zbadane dla granicy faz powietrze-woda i ogólnie otrzymane wartości odzwierciedlają teoretyczną refrakcję podaną przez współczesną teorię, ale wartości odstające są zniekształcone, aby reprezentować a priori model Ptolemeusza natury refrakcji.

W świecie islamu

Reprodukcja strony rękopisu Ibn Sahla przedstawiająca jego odkrycie prawa załamania światła, znanego obecnie jako prawo Snella .

Al-Kindi (ok. 801-873) był jednym z pierwszych ważnych pisarzy optycznych w świecie islamskim . W dziele znanym na zachodzie jako De radiois stellarum , al-Kindi rozwinął teorię, że „wszystko na świecie… emituje promienie we wszystkich kierunkach, które wypełniają cały świat”.

Twierdzenie Ibn Hajsam

Ta teoria aktywnej mocy promieni miała wpływ na późniejszych uczonych, takich jak Ibn al-Haytham , Robert Grosseteste i Roger Bacon .

Ibn Sahl , matematyk aktywny w Bagdadzie w latach 80., jest pierwszym islamskim uczonym, o którym wiadomo, że opracował komentarz do Optyki Ptolemeusza . Jego traktat Fi al-'ala al-muḥriqa „Na płonących instrumentach” został zrekonstruowany z fragmentarycznych rękopisów przez Rasheda (1993). Praca dotyczy tego, jak zakrzywione lustra i soczewki wyginają się i skupiają światło. Ibn Sahl opisuje również prawo załamania, matematycznie równoważne prawu Snella . Wykorzystał swoje prawo załamania, aby obliczyć kształty soczewek i luster, które skupiają światło w jednym punkcie na osi.

Alhazen (Ibn al-Haytham), „ojciec optyki”

Ibn al-Haytham (znany jako Alhacen lub Alhazen w Europie Zachodniej), piszący w 1010, otrzymał zarówno traktat Ibn Sahla, jak i częściowe arabskie tłumaczenie Optyki Ptolemeusza . Stworzył kompleksową i systematyczną analizę greckich teorii optycznych. Kluczowe osiągnięcie Ibn al-Haythama było dwojakie: po pierwsze, nalegać, wbrew opinii Ptolemeusza, że ​​wizja nastąpiła z powodu promieni wpadających do oka; drugim było określenie fizycznej natury promieni omawianych przez wcześniejszych autorów zajmujących się geometrią optyki, uznając je za formy światła i koloru. Następnie przeanalizował te fizyczne promienie zgodnie z zasadami optyki geometrycznej. Napisał wiele książek o optyce, przede wszystkim Księgę Optyki ( Kitab al Manazir po arabsku ), przetłumaczoną na łacinę jako Despectibus lub Perspectiva , która rozpowszechniła jego idee w Europie Zachodniej i miała wielki wpływ na późniejszy rozwój optyki. Ibn al-Haytham był nazywany „ojcem nowoczesnej optyki”.

Avicenna (980-1037) zgodził się z Alhazenem, że prędkość światła jest skończona, ponieważ „zaobserwował, że jeśli percepcja światła jest spowodowana emisją jakiegoś rodzaju cząstek przez źródło światła, prędkość światła musi być skończona. " Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) również zgodził się, że światło ma skończoną prędkość i stwierdził, że prędkość światła jest znacznie większa niż prędkość dźwięku .

Abu 'Abd Allah Muhammad ibn Ma'udh , który mieszkał w Al-Andalus w drugiej połowie XI wieku, napisał pracę o optyce przetłumaczoną później na łacinę jako Liber de crepisculis , która została błędnie przypisana Alhazenowi . Była to „krótka praca zawierająca oszacowanie kąta nachylenia słońca na początku zmierzchu porannego i na koniec zmierzchu wieczornego oraz próba obliczenia na podstawie tych i innych danych wysokości wilgoć atmosferyczna odpowiedzialna za załamanie promieni słonecznych." Poprzez swoje eksperymenty uzyskał wartość 18°, zbliżoną do wartości współczesnej.

Pod koniec XIII i na początku XIV wieku Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) i jego uczeń Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1260–1320) kontynuowali pracę Ibn al-Haythama i byli wśród najpierw podać poprawne wyjaśnienie zjawiska tęczy . Al-Fārisī opublikował swoje odkrycia w swoim Kitab Tanqih al-Manazir ( Rewizja optyki [Ibn al-Haythama] ).

W średniowiecznej Europie

Angielski biskup Robert Grosseteste (ok. 1175–1253) pisał na wiele tematów naukowych w okresie powstania średniowiecznego uniwersytetu i odzyskania dzieł Arystotelesa. Grosseteste odzwierciedlał okres przejściowy między platonizmem nauki wczesnośredniowiecznej a nowym arystotelizmem , stąd skłonność do stosowania matematyki i platońskiej metafory światła w wielu swoich pismach. Przypisuje się mu omawianie światła z czterech różnych perspektyw: epistemologii światła, metafizyki lub kosmogonii światła, etiologii lub fizyki światła oraz teologii światła.

Pomijając kwestie epistemologii i teologii, kosmogonia światła Grosseteste'a opisuje pochodzenie wszechświata w tym, co można luźno określić jako średniowieczną teorię „wielkiego wybuchu”. Zarówno jego biblijny komentarz, Hexaemeron (1230 x 35), jak i naukowy O świetle (1235 x 40), czerpały inspirację z Księgi Rodzaju 1:3: „Bóg powiedział, niech stanie się światłość” i opisują dalszy proces tworzenia. jako naturalny proces fizyczny wynikający z generatywnej mocy rozszerzającej się (i kurczącej się) sfery światła.

Schemat optyczny ukazujący światło załamywane przez kulisty szklany pojemnik wypełniony wodą. (z Roger Bacon, De multiplicatione specierum )

Jego bardziej ogólne spojrzenie na światło jako główny czynnik przyczynowości fizycznej pojawia się w jego O liniach, kątach i liczbach, gdzie twierdzi, że „naturalny czynnik rozchodzi się z siebie na odbiorcę” oraz w O naturze miejsc, gdzie zauważa że „każde naturalne działanie jest zróżnicowane pod względem siły i słabości poprzez zmiany linii, kątów i figur”.

Angielski franciszkanin , Roger Bacon (ok. 1214/94) był pod silnym wpływem pism Grosseteste na temat znaczenia światła. W swoich pismach optycznych ( Perspectiva , De multiplicatione specierum i De speculis comburentibus ) przytaczał szeroką gamę niedawno przetłumaczonych dzieł optycznych i filozoficznych, w tym dzieła Alhacena , Arystotelesa , Awicenny , Awerroesa , Euklidesa , al-Kindiego , Ptolemeusza , Tideus i Konstantyn Afrykanin . Chociaż nie był niewolniczym naśladowcą, swoją matematyczną analizę światła i wizji czerpał z pism arabskiego pisarza Alhacena. Dodał jednak do tego koncepcję neoplatońską, być może zaczerpniętą z Grosseteste, że każdy obiekt promieniuje mocą ( gatunkiem ), dzięki której działa na pobliskie obiekty, przystosowane do przyjmowania tych gatunków . Należy zauważyć, że optyczne użycie terminu „ gatunek ” przez Bacona znacznie różni się od rodzaju/gatunku kategorii występujących w filozofii Arystotelesa.

Kilka późniejszych prac, w tym wpływowy Traktat moralny o oku (łac. Tractatus Moralis de Oculo ) Piotra z Limoges (1240–1306), pomogło spopularyzować i rozpowszechnić idee zawarte w pismach Bacona.

Inny angielski franciszkanin, John Pecham (zm. 1292) , oparł się na pracach Bacona, Grosseteste'a i różnorodnych wcześniejszych pisarzy, aby stworzyć najpowszechniej używany podręcznik optyki średniowiecza, Perspectiva communis . Jego książka skupiała się na kwestii widzenia, na tym, jak widzimy, a nie na naturze światła i koloru. Pecham podążał za modelem przedstawionym przez Alhacena, ale interpretował idee Alhacena w sposób Rogera Bacona.

Podobnie jak jego poprzednicy, Witelo (ur. ok. 1230, zm. między 1280 a 1314) czerpał z obszernego zbioru dzieł optycznych, niedawno przetłumaczonych z języka greckiego i arabskiego, aby stworzyć obszerną prezentację tematu zatytułowaną Perspectiva . Jego teoria widzenia podąża za Alhacenem i nie bierze pod uwagę koncepcji gatunków Bacona , chociaż fragmenty jego pracy pokazują, że był pod wpływem idei Bacona. Sądząc po liczbie zachowanych rękopisów, jego praca nie była tak wpływowa jak praca Pechama i Bacona, jednak jego znaczenie, a także Pechama, wzrosło wraz z wynalezieniem druku.

Teodoryk z Freiberga (ok. 1250–ok. 1310) był jednym z pierwszych w Europie, który dostarczył poprawnego naukowego wyjaśnienia zjawiska tęczy , podobnie jak Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311) i jego uczeń Kamāl al- Din al-Fārisī (1260–1320) wspomniany powyżej.

Renesans i wczesna nowoczesność

Johannes Kepler (1571–1630) podjął badania praw optyki ze swojego eseju o Księżycu z 1600 roku. Zarówno zaćmienia Księżyca, jak i Słońca przedstawiały niewyjaśnione zjawiska, takie jak nieoczekiwane rozmiary cieni, czerwony kolor całkowitego zaćmienia Księżyca i podobno niezwykłe światło otaczające całkowite zaćmienie Słońca. Powiązane zagadnienia refrakcji atmosferycznej miały zastosowanie do wszystkich obserwacji astronomicznych. Przez większą część 1603 roku Kepler przerwał swoje inne prace, aby skupić się na teorii optycznej; powstały rękopis, przedstawiony cesarzowi 1 stycznia 1604, został opublikowany jako Astronomiae Pars Optica ( Optyczna część astronomii ). Kepler opisał w nim prawo odwrotności kwadratu rządzące natężeniem światła, odbiciem przez płaskie i zakrzywione zwierciadła oraz zasady działania kamer otworkowych , a także astronomiczne implikacje optyki, takie jak paralaksa i pozorne rozmiary ciał niebieskich. Astronomiae Pars Optica jest powszechnie uznawana za podstawę nowoczesnej optyki (choć prawo załamania jest wyraźnie nieobecne).

Willebrord Snellius (1580–1626) odkrył matematyczne prawo załamania światła , znane obecnie jako prawo Snella , w 1621 roku. Następnie René Descartes (1596–1650) wykazał, używając konstrukcji geometrycznej i prawa załamania (znanego również jako prawo Kartezjusza). ), że promień kątowy tęczy wynosi 42° (tj. kąt opierający się na oku przez krawędź tęczy i środek tęczy wynosi 42°). Odkrył również niezależnie prawo odbicia , a jego esej o optyce był pierwszą opublikowaną wzmianką o tym prawie.

Christiaan Huygens (1629–1695) napisał kilka prac z zakresu optyki. Należą do nich Opera reliqua (znana również jako Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii toparchae, opuscula posthuma ) oraz Traité de la lumiere .

Isaac Newton (1643-1727) zbadał załamanie światła, wykazując, że pryzmat może rozłożyć białe światło na spektrum kolorów, a soczewka i drugi pryzmat mogą przetworzyć wielokolorowe widmo na światło białe. Pokazał też, że kolorowe światło nie zmienia swoich właściwości poprzez wydzielenie barwnej wiązki i skierowanie jej na różne przedmioty. Newton zauważył, że niezależnie od tego, czy został odbity, rozproszony czy przepuszczony, pozostał ten sam kolor. W związku z tym zauważył, że kolor jest wynikiem interakcji obiektów z już kolorowym światłem, a nie obiektów generujących sam kolor. Jest to znane jako teoria koloru Newtona . Na podstawie tej pracy wywnioskował, że każdy teleskop refrakcyjny ucierpi z powodu rozpraszania światła na kolory i wynalazł teleskop zwierciadlany (dziś znany jako teleskop Newtona ), aby ominąć ten problem. Szlifując własne zwierciadła, używając pierścieni Newtona do oceny jakości optyki swoich teleskopów, był w stanie wyprodukować instrument lepszy od teleskopu refrakcyjnego, głównie ze względu na większą średnicę zwierciadła. W 1671 Towarzystwo Królewskie poprosiło o demonstrację jego teleskopu zwierciadlanego. Ich zainteresowanie zachęciło go do opublikowania swoich notatek On Color , które później rozszerzył na swoje Opticks . Newton twierdził, że światło składa się z cząstek lub korpuskuł i jest załamywane przez przyspieszenie w kierunku gęstszego ośrodka, ale musiał powiązać je z falami, aby wyjaśnić dyfrakcję światła ( Opticks Bk. II, Prop . XII-L). Późniejsi fizycy zamiast tego preferowali czysto falowe wyjaśnienie światła, aby uwzględnić dyfrakcję. Dzisiejsza mechanika kwantowa , fotony i idea dualizmu falowo-cząsteczkowego mają tylko niewielkie podobieństwo do rozumienia światła przez Newtona.

W swojej Hipotezie światła z 1675 r. Newton zakładał istnienie eteru do przenoszenia sił między cząstkami. W 1704 Newton opublikował Opticks , w którym przedstawił swoją korpuskularną teorię światła. Uważał, że światło składa się z niezwykle subtelnych ciałek, że zwykła materia składa się z grubszych cząstek i spekulował, że poprzez rodzaj alchemicznej transmutacji „Czy ciała i Światło nie są wulgarne, które można przekształcić w siebie nawzajem, a ciała mogą nie otrzymywać wiele ich działalności z cząstek światła, które wchodzą w ich skład?”

Optyka dyfrakcyjna

Szkic dyfrakcji dwóch szczelin Thomasa Younga, który przedstawił Royal Society w 1803 roku

Efekty dyfrakcji światła uważnie obserwował i scharakteryzował Francesco Maria Grimaldi , który ukuł także termin dyfrakcja , od łacińskiego diffringere , "rozbijać się na kawałki", co odnosi się do światła rozchodzącego się w różnych kierunkach. Wyniki obserwacji Grimaldiego zostały opublikowane pośmiertnie w 1665 roku. Isaac Newton badał te efekty i przypisywał je przeginaniu promieni świetlnych. James Gregory (1638-1675) zaobserwował wzory dyfrakcyjne wywołane przez ptasie pióro, które było faktycznie pierwszą siatką dyfrakcyjną . W 1803 Thomas Young przeprowadził swój słynny eksperyment, obserwując interferencję z dwóch blisko oddalonych szczelin w swoim interferometrze z podwójną szczeliną . Wyjaśniając swoje wyniki przez interferencję fal emanujących z dwóch różnych szczelin, wywnioskował, że światło musi rozchodzić się jako fale. Augustin-Jean Fresnel przeprowadził bardziej szczegółowe badania i obliczenia dyfrakcji, opublikowane w 1815 i 1818 roku, i tym samym dał wielkie poparcie dla teorii falowej światła, która została wysunięta przez Christiaana Huygensa i wzmocniona przez Younga, przeciwko teorii cząstek Newtona.

Obiektywy i produkcja soczewek

Zobacz też: Kalendarium technologii teleskopowej

Istnieją kwestionowane archeologiczne dowody używania soczewek w starożytności, obejmujące kilka tysiącleci. Sugerowano, że szklane osłony oczu w hieroglifach ze Starego Królestwa Egiptu (ok. 2686-2181 pne) były funkcjonalnymi prostymi szklanymi soczewkami meniskowymi. Podobnie tak zwana soczewka Nimruda , artefakt z kryształu górskiego datowany na VII wiek pne, mógł być używany jako szkło powiększające lub być ozdobą.

Najwcześniejsze pisemne wzmianki o powiększeniu pochodzą z I wieku naszej ery, kiedy Seneka Młodszy , nauczyciel cesarza Nerona , napisał: „Litery, jakkolwiek małe i niewyraźne, są widoczne w powiększeniu i wyraźniej przez globus lub szklankę wypełnioną wodą”. . Podobno cesarz Neron oglądał igrzyska gladiatorów, używając szmaragdu jako soczewki korekcyjnej.

Ibn al-Haytham (Alhacen) pisał o efektach soczewek otworkowych , wklęsłych i szkieł powiększających w swojej Księdze Optyki z 1021 AD . W latach 60. i 70. XII wieku angielski brat Roger Bacona napisał prace dotyczące optyki, częściowo oparte na dziełach arabskich pisarzy, które opisywały funkcję szkieł korekcyjnych do widzenia i płonących okularów. Te tomy były zarysami większej publikacji, która nigdy nie została wydana, więc jego idee nigdy nie zostały masowo rozpowszechnione.

Między XI a XIII wiekiem wynaleziono „ kamyki do czytania ”. Często używane przez mnichów do pomocy w oświetleniu rękopisów, były to prymitywne soczewki płasko-wypukłe, początkowo wykonane przez przecięcie szklanej kuli na pół. Kiedy eksperymentowano z kamieniami, powoli rozumiano, że płytsze soczewki powiększają skuteczniej. Około 1286 r., prawdopodobnie w Pizie we Włoszech, wykonano pierwszą parę okularów, chociaż nie jest jasne, kto był wynalazcą.

Najwcześniejsze znane działające teleskopy to teleskopy refrakcyjne, które pojawiły się w Holandii w 1608 roku. Ich wynalazca jest nieznany: Hans Lippershey złożył pierwszy patent w tym samym roku, a dwa tygodnie później złożył wniosek patentowy przez Jacoba Metiusa z Alkmaar (żaden nie został przyznany, ponieważ przykłady urządzenia wydawało się wtedy liczne). Galileo znacznie ulepszył te projekty w następnym roku. Isaacowi Newtonowi przypisuje się skonstruowanie pierwszego funkcjonalnego teleskopu zwierciadlanego w 1668 r., jego zwierciadła Newtona .

Najwcześniejsze znane przykłady mikroskopów złożonych, które łączą soczewkę obiektywu w pobliżu preparatu z okularem, aby zobaczyć rzeczywisty obraz , pojawiły się w Europie około 1620 roku. Konstrukcja jest bardzo podobna do teleskopu i podobnie jak tego urządzenia, jego wynalazca jest nieznany. Ponownie twierdzi się, że kręci się wokół centrów produkcji spektakli w Holandii, w tym twierdzi, że został wynaleziony w 1590 roku przez Zachariasa Janssena i/lub jego ojca, Hansa Martensa, twierdzi, że został wynaleziony przez konkurencyjnego producenta okularów, Hansa Lippersheya, i twierdzi, że został wynaleziony przez emigranta Cornelisa Drebbel, który miał swoją wersję w Londynie w 1619 roku. Galileo Galilei (czasami cytowany również jako wynalazca mikroskopu złożonego) wydaje się, że po 1609 roku odkrył, że mógł z bliska skupić swój teleskop, aby oglądać małe obiekty, a po obejrzeniu złożonego mikroskopu przez Drebbela wystawiony w Rzymie w 1624 roku, zbudował własną ulepszoną wersję. Nazwę „mikroskop” wymyślił Giovanni Faber , który w 1625 r. nadał tę nazwę złożonemu mikroskopowi Galileo Galilei .

Optyka kwantowa

Główny artykuł: optyka kwantowa

Światło składa się z cząstek zwanych fotonami i dlatego jest z natury skwantowane. Optyka kwantowa to nauka o naturze i działaniu światła jako skwantowanych fotonów. Pierwsza wskazówka, że ​​światło może być skwantowane, pochodzi od Maxa Plancka w 1899 roku, kiedy prawidłowo zamodelował promieniowanie ciała doskonale czarnego , zakładając, że wymiana energii między światłem a materią zachodzi tylko w dyskretnych ilościach, które nazwał kwantami. Nie wiadomo, czy źródłem tej dyskrecji była materia, czy światło. W 1905 Albert Einstein opublikował teorię efektu fotoelektrycznego . Okazało się, że jedynym możliwym wytłumaczeniem tego efektu była sama kwantyzacja światła. Później Niels Bohr wykazał, że atomy mogą emitować jedynie dyskretne ilości energii. Zrozumienie interakcji między światłem a materią wynikające z tych odkryć nie tylko stanowiło podstawę optyki kwantowej, ale było również kluczowe dla rozwoju mechaniki kwantowej jako całości. Jednak poddziedziny mechaniki kwantowej zajmujące się oddziaływaniem materii ze światłem były głównie uważane za badania nad materią, a nie światłem, a zatem mówiono raczej o fizyce atomu i elektronice kwantowej .

Zmieniło się to wraz z wynalezieniem masera w 1953 r. i lasera w 1960 r. Nauka o laserach — badania nad zasadami, projektowaniem i zastosowaniem tych urządzeń — stała się ważną dziedziną, a mechanika kwantowa leżąca u podstaw działania lasera była obecnie badana z większym naciskiem na właściwości światła, a nazwa optyka kwantowa stała się zwyczajem.

Ponieważ nauka o laserach potrzebowała dobrych podstaw teoretycznych, a także dlatego, że badania nad nimi wkrótce okazały się bardzo owocne, wzrosło zainteresowanie optyką kwantową. Po pracach Diraca w teorii pola kwantowego , George Sudarshan , Roy Glauber , i Leonard Mandel zastosowano teorię kwantów pola elektromagnetycznego w latach 1950 i 1960, aby uzyskać bardziej szczegółowe zrozumienie detekcji fotograficznej oraz statystyki światła (patrz stopień spójność ). Doprowadziło to do wprowadzenia stanu spójnego jako kwantowego opisu światła laserowego i uświadomienia sobie, że niektórych stanów światła nie można opisać za pomocą fal klasycznych. W 1977 Kimble i in. zademonstrował pierwsze źródło światła, które wymagało opisu kwantowego: pojedynczy atom, który emitował po jednym fotonie na raz. Wkrótce zaproponowano inny kwantowy stan światła z pewną przewagą nad jakimkolwiek stanem klasycznym, światło ściśnięte . Jednocześnie rozwój krótkich i ultrakrótkich impulsów laserowych — stworzonych za pomocą technik przełączania Q i blokowania modów — otworzył drogę do badania niewyobrażalnie szybkich („ ultraszybkich ”) procesów. Znaleziono zastosowania do badań ciała stałego (np. spektroskopia ramanowska ) oraz zbadano mechaniczne siły światła na materię. To ostatnie doprowadziło do lewitacji i pozycjonowania chmur atomów, a nawet małych próbek biologicznych w pułapce optycznej lub optycznych szczypcach za pomocą wiązki laserowej. To, wraz z chłodzeniem dopplerowskim, było kluczową technologią potrzebną do osiągnięcia słynnej kondensacji Bosego-Einsteina .

Inne godne uwagi wyniki są demonstracją splątania kwantowego , teleportacja kwantowa i (ostatnio w 1995) kwantowych bramek logicznych . Te ostatnie są przedmiotem zainteresowania teorii informacji kwantowej , która częściowo wyłoniła się z optyki kwantowej, a częściowo z informatyki teoretycznej .

Dzisiejsze pola zainteresowań badaczy optyki kwantowej obejmują parametryczną konwersję w dół , oscylacje parametryczne , jeszcze krótsze (attosekundowe) impulsy świetlne, wykorzystanie optyki kwantowej do informacji kwantowych , manipulację pojedynczymi atomami i kondensatami Bosego-Einsteina , ich zastosowanie oraz sposób manipulowania je (podpole często nazywane optyką atomową ).

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia