Optika

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Optika, stranica iz Ciklopedije iz 1728.

Optika je grana fizike koja proučava svjetlost i osobine svjetlosti, optičke instrumente, sredstva za poboljšanje vida (optička sočiva), ogledala (geometrijska optika) i talasnu prirodu svjetlosti (fizikalna optika). Postoje dvije glavne grane optike, a to su fizikalna i geometrijska. Fizikalna optika se primarno bavi prirodom i osobinama same svjetlosti, dok se geometrijska optika bavi principima koji omogućavaju stvaranje likova i slike preko sočiva, ogledala, prizmi i drugih instrumenata koji koriste svjetlost. Takođe uključuje optičko procesovanje podataka, koje se sastoji od manipulacije informacija slike nastale preko nekog optičkog sistema.

U početku, pojam optika je bio sinonim za oko i vid. Kasnije, kada su se razvila optička sočiva i drugi instrumenti koji pomažu i poboljšavaju vid, a koji dobijaju ime optički instrumenti, značenje pojma optika se širi na bilo koju primjenu svjetlosti, čak i ako krajnji receptor nije oko nego fizički detektor, kao što je fotoaparat ili televizijska kamera. U 20. vijeku, optičke metode se široko primjenjuju na regione spektra elektromagnetne radijacije koji nisu vidljivi golim okom, kao što su iks-zraci, ultraljubičasti, infracrveni i mikrotalasni radio zraci, te su danas ti regioni uključeni u opštu oblast optike.

Optički instrumenti su ravna, sferna konkavna (udubljena) i sferna konveksna (ispupčena) ogledala, optička sočiva, optičke prizme ili njihove kombinacije kao i složeni optički instrumenti.

Istorija[uredi]

Nimrudova sočiva

Počeci optike jesu sočiva koje su izradili stari Egipćani i Mezopotamci. Najranije poznata sočiva, napravljene od poliranog kristala, često kvarca, datiraju iz 700. p. n. e. i poznate su kao asirska sočiva, kakva je i Nimrudova[1]Stari Rimljani i Grci ispunjavali su staklene kugle vodom da bi napravili sočiva. Ovaj praktični razvoj pratio je i razvoj teorija o svetlosti i vidu od strane starih grčkih i indijskih filozofa, kao i razvoj geometrijske optike u grčko-rimskom svetu. Sama reč optika potiči od starogrčke reči ὀπτική (optikē), što znači "pojava, izgled".[2]

U grčkoj filozofiji prevladavale su dve suprotstavljene teorije o optici vezane za to kako funkcionira čulo vida: "intromisijska" i "emisijska".[3]Prema prvoj, vid dolazi od predmeta koji otpuštaju svoje kopije (zvane eidole), koje oko hvata. Uz mnoge propagatore, uključujući Demokrita, Epikura, Aristotela i njihove sljedbenike, izgleda da ova teorija ima nekog dodira s modernim teorijama o tome šta je zapravo vid, ali ostala je samo špekulacija bez ikakvog eksperimentalnog utemeljenja.

Platon je prvi jasno uobličio emisijsku teoriju, ideju po kojoj se vizualna percepcija ostvaruje zahvaljujući zrakama koje emitiraju oči. U delu Timaj takođe je komentirao parnost obrnutih likova u ogledalima.[4]Nekih 100 godina kasnije Euklid je napisao traktat Optika, u kojem je vid povezao sa geometrijom, ustanovivši tako geometrijsku optiku.[5] Svoj rad zasnovao je na Platonovoj emisijskoj teoriji. Opisao je matematička pravila perspektive i kvalitativno opisao efekte refrakcije iako je doveo u pitanje tvrdnju da snop svetlosti iz oka može trenutno osvetliti zvezde svaki put kad neko trepne.[6] U svom traktatu Optika Ptolemej zastupa ekstramisijsko-intromisijsku teoriju vida: zrake (ili protok) iz oka formiraju kupu, čiji je vrh u unutrašnjosti oka, a njena baza definira vidno polje. Zrake su bile osetljive i prenosile su informacije o udaljenosti i orentaciji površina nazad do posmatračevog razuma. On je rekapitulirao većinu Euklidovog rada i otišao dalje od njega opisavši način merenja ugla refrakcije iako nije uspio uočiti empirijsku vezu između njega i upadnog ugla.[7]

Alhazen (Ibn el Haitam), "otac optike"[8]
Reprodukcija stranice Ibn-Sehlovogovog rukopisa koja pokazuje njegovo znanje o zakonu refrekcije.

Tokom srednjeg veka grčke ideje o optici obnovili su i proširili autori iz tadašnjeg muslimanskog sveta. Jedan od najranijih bio je El-Kindi (oko 801–873), koji je pisao na osnovu euklidskih i aristotelovskih ideja o optici, favorizirajući emisijsku teoriju zato što je (po njegovom mišljenju) mogla bolje objasniti optičke pojave.[9]Godine 984. perzijski matematičar Ibn-Sehl napisao je traktat O gorućim ogledalima i sočivama, ispravno opisavši zakon refrakcije ekvivalentan Snelovom zakonu.[10]Koristio se ovim zakonom da izračuna optimalne oblike sočiva i sfernih ogledala. Početkom 11. veka Alhazen (Ibnul-Hejsem) napisao je Knjigu o optici (Kitabul-menazir), u kojoj je istraživao refleksiju i refrakciju i predložio novi sistem za objašnjavanje vida i svetlosti, zasnovan na posmatranju i eksperimentu.[11][12][13][14][15] Odbacio je emisijsku teoriju iz ptolemejske optike i umesto nje predložio ideju da se svetlost pravolinijski odbija u svim smerovima od svih vidljivih tačaka datog objekta i zatim ulazi u oko iako nije mogao objasniti kako oko hvata zrake.[16] Alhazenovo delo bilo je uglavnom zanemareno u arapskom svetu, ali je anonimno prevedeno na latinski oko 1200. godine, a dodatno ga je proširio poljski monah Vitelo,[17] učinivši ga standardnim udžbenikom optike u Evropi u narednih 400 godina.[18]

U 13. veku u Evropi engleski biskup Robert Grosetest pisao je o mnogim naučnim temama raspravljajući o svetlosti iz četiri perspektive: epistemologija svetlosti, metafizika ili kosmogonija svetlosti, etiologija ili fizika svetlosti i teologija svetlosti,[19] zasnivajući to na Aristotelovim delima i platonizmu. Grosetesteov najpoznatiji učenik, Rodžer Bejkon, napisao je radove u kojima je citirao širok raspon nedavno prevedenih dela iz filozofije i optike, uključujući dela Alhazena, Aristotela, Avikene, Ibn-Rušda, Euklida, El-Kindija, Ptolemeja, Tideja i Konstantina Afrikanca. Bajkon je bio u mogućnosti koristiti delove staklenih sfera kao lupe da pokaže da se svetlost odbija od objekata umesto da je objekti emitiraju.

Prve naočare izumljene su u Italiji oko 1286.[20]Ovo je bio početak optičke industrije struganja i poliranja sočiva za ove "naočare", najpre u Veneciji i Firenci u 13. veku,[21] a kasnije u centrima za proizvodnju naočara u Holandiji i Nemačkoj.[22] Proizvođači naočara napravili su poboljšane vrste sočiva za korekciju vida zasnovane više na empirijskom znanju stečenom posmatranjem efekata sočiva nego na korištenju proste optičke teorije tog vremena (koja uglavnom nije mogla adekvatno objasniti čak ni to kako naočare funkcioniraju).[23][24] Ovaj praktični razvoj, majstorstvo i eksperimentiranje sočiva direktno su doveli do izuma složenog optičkog mikroskopa oko 1595. i refraktorskog teleskopa 1608. godine u centrima za proizvodnju naočara u Holandiji.[25][26]

Slika naslovne strane Njutnove „Optike“

Početkom 17. veka Johan Kepler u svojim je radovima proširio poglede na geometrijsku optiku, osvrnuvši se na sočiva, odbijanje svetlosti od ravnih i sfernih ogledala, način rada stenopeičnih kamera, upravljanje zakona obrnutih kvadrata jačinom svetlosti i optička objašnjenja astronomskih pojava kao što su pomračenje Meseca i Sunca i astronomska paralaksa. Takođe je uspeo utvrditi ulogu mrežnjače kao organa koji zapravo beleži slike i konačno naučno kvantificirati efekte različitih vrsta sočiva koje su proizvođači naočara posmatrali prethodnih 300 godina.[27] Nakon izuma teleskopa Kepler je postavio teorijsku osnovu za način na koji teleskopi rade i opisao poboljšanu verziju, poznatu kao Keplerov teleskop, koristeći se dvjema konveksnim lećama da dobije veće uvećanje.[28] Nakon izuma teleskopa Kepler je postavio teorijsku osnovu za način na koji teleskopi rade i opisao poboljšanu verziju, poznatu kao Keplerov teleskop, koristeći se dvema konveksnim sočivama da dobije veće uvećanje.[29]

Optička teorija unapređena je sredinom 17. veka traktatima filozofa Renea Dekart, u kojima su objašnjene razne optičke pojave, uključujući refleksiju i refrakciju, s pretpostavkom da svetlost emitiju objekti koji je proizvode.[30] Ova tvrdnja značajno se razlikovala od starogrčke emisijske teorije. Krajem 1660-ih i početkom 1670-ih Isak Njutn proširio je Dekatrove ideje i postavio korpuskularnu teoriju svetlosti, poznatu po tome što je odredila da je bela svetlost mešavina boja koja se može razložiti na sastavne delove pomoću prizme. Godine 1690. Kristijan Hajgens predložio je talasnu teoriju svetlosti, zasnovanu na sugestijama Roberta Huka iz 1664. Sam Huk javno je kritikova Njutnove teorije o svetlosti i prepirka među njima trajala je do Hukove smrti. Godine 1704. Njutn je objavio Optiku i, u to vreme, delomično zbog njegovog uspeha u drugim oblastima fizike, opširno je smatran pobednikom u debati o prirodi svetlosti.[30]

Njutnovska optika bila je opširno prihvaćena do početka 19. veka, kad su Tomas Jang i Ogisten Žan Frenel izveli eksperimente o interferenciji svetlosti koji su potvrdili njenu talasnu prirodu. Jagnov poznati eksperiment sa dva procjepa pokazao je da svetlost sledi zakon superpozicije, što je karakteristika talasa, koju Njutna korpuskularna teorija nije predvidela. Ovaj rad doveo je do teorije difrakcije i otvorio čitavo područje proučavanja u fizikalnoj optici.[31] Talasna optika uspešno je ujedinjena s Maksvelovom elektromagnetnom teorijom u 1860-ima.[32]

Sljedeći razvoj u optičkoj teoriji desio se 1899, kad je Maks Plank ispravno modelirao zračenje crnog tela pretpostavivši da se razmena energije između svetlosti i materije dešava jedino u diskretnim količinama, koje je nazvao kvantovima.[33] Godine 1905. Albert Ajnštajn objavio je teoriju o fotoelektričnom efektu, koja je čvrsto uspostavila kvantizaciju same svetlosti.[34][35] Godine 1913. Nils Bor pokazao je da atomi mogu emitovati samo diskretne količine energije, objasnivši tako diskretne linije viđene u emisijskom spektru i apsorpcijskim spektrima.[36] Razumevanje interakcije između svetlosti i materije, koje je rezultiralo iz ovih razvoja, ne samo da je formiralo osnovu kvantne optike nego je bilo i ključno za razvoj kvantne mehanike kao celine. Krajnji vrhunac, teorija kvantne elektrodinamike, objašnjava sve optičke i elektromagnetne procese općenito kao rezultat razmene stvarnih i virtualnih fotona.[37]

Kvantna optika dobila je praktičnu važnost otkrićem masera 1953. i lasera 1960.[38] Prateći rad Pol Diraka u oblasti kvantne teorije polja, Džordž Sudaršan, Roj Dž. Glauber i Leonard Mandel primenili su kvantnu teoriju na elektromagnetno polje u 1950-ima i 1960-ima da dođu do detaljnijeg razumevanja fotodetekcije i statistike svetlosti.

Neki važniji pojmovi iz geometrijske optike i optičkih instrumenata su:

Literatura[uredi]

  • M. Born and E.Wolf (1999). Principles of Optics (7th ed.). Pergamon Press. 
  • E. Hecht (2001). Optics (4th ed.). Pearson Education. ISBN 0-8053-8566-5. 
  • R. A. Serway and J. W. Jewett (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7. 
  • P. Tipler (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0810-8. 
  • S. G. Lipson (1995). Optical Physics (3rd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-43631-1. 
  • Fowles, Grant R. (1989). Introduction to Modern Optics. Dover Publications. ISBN 0-486-65957-7. 

Reference[uredi]

  1. „World's oldest telescope?”. BBC News. 1. 7. 1999. Pristupljeno 10. 6. 2016. 
  2. T. F. Hoad (1996). The Concise Oxford Dictionary of English Etymology. ISBN 0-19-283098-8. 
  3. „A History of the Eye”. stanford.edu. Pristupljeno 10. 6. 2016. 
  4. T. L. Heath (2003). A manual of greek mathematics. Courier Dover Publications. str. 181—182. ISBN 0-486-43231-9. 
  5. William R. Uttal (1983). Visual Form Detection in 3-Dimensional Space. Psychology Press. str. 25—. ISBN 978-0-89859-289-4. 
  6. Euclid (1999). Elaheh Kheirandish, ur. Arapska verzija Euklidove optike = Kitāb Uqlīdis fī ikhtilāf al-manāẓir. "Springer", New York. ISBN 0-387-98523-9. 
  7. Ptolemy (1996). A. Mark Smith, ur. Ptolemy's theory of visual perception: an English translation of the Optics with introduction and commentary. DIANE Publishing. ISBN 0-87169-862-5. 
  8. Verma, RL (1969), Al-Hazen: father of modern optics 
  9. Adamson, Peter (2006), "Al-Kindi and the reception of Greek philosophy" u: Adamson, Peter, Taylor, R., The Cambridge companion to Arabic philosophy, Štamparija Univerziteta u Cambridgeu, str. 45; ISBN 978-0-521-52069-0.
  10. Rashed, Roshdi (1990). „A pioneer in anaclastics: Ibn Sahl on burning mirrors and lenses”. Isis. 81 (3): 464—491. doi:10.1086/355456. JSTOR 233423. 
  11. Hogendijk, Jan P.; Sabra, Abdelhamid I., ur. (2003). The Enterprise of Science in Islam: New Perspectives. Štamparija MIT-a. str. 85—118. ISBN 0-262-19482-1. OCLC 50252039. 
  12. G. Hatfield (1996). „Was the Scientific Revolution Really a Revolution in Science?”. Ur.: F. J. Ragep; P. Sally; S. J. Livesey. Tradition, Transmission, Transformation: Proceedings of Two Conferences on Pre-modern Science held at the University of Oklahoma. Brill Publishers. str. 500. ISBN 90-04-10119-5. 
  13. Nader El-Bizri (2005). „A Philosophical Perspective on Alhazen's Optics”. Arabic Sciences and Philosophy. 15 (2): 189—218. doi:10.1017/S0957423905000172. 
  14. Nader El-Bizri (2007). „In Defence of the Sovereignty of Philosophy: al-Baghdadi's Critique of Ibn al-Haytham's Geometrisation of Place”. Arabic Sciences and Philosophy. 17: 57—80. doi:10.1017/S0957423907000367. 
  15. G. Simon (2006). „The Gaze in Ibn al-Haytham”. The Medieval History Journal. 9: 89. doi:10.1177/097194580500900105. 
  16. Ian P. Howard; Brian J. Rogers (1995). Binocular Vision and Stereopsis. Štamparija Univerziteta u Oxfordu. str. 7. ISBN 978-0-19-508476-4. 
  17. Elena Agazzi; Enrico Giannetto; Franco Giudice (2010). Representing Light Across Arts and Sciences: Theories and Practices. V&R unipress GmbH. str. 42. ISBN 978-3-89971-735-8. 
  18. Nader El-Bizri, "Classical Optics and the Perspectiva Traditions Leading to the Renaissance" u: Renaissance Theories of Vision, Charles Carman i John Hendrix (ur.), "Ashgate", Aldershot, 2010, 11–30; Nader El-Bizri, "Seeing Reality in Perspective: 'The Art of Optics' and the 'Science of Painting'" u: The Art of Science: From Perspective Drawing to Quantum Randomness, Rossella Lupacchini i Annarita Angelini (ur.), "Springer", Doredrecht, 2014, str. 25–47.
  19. D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, Štamparija Univerziteta Chicago, Chicago, 1976, str. 94–99.
  20. Vincent, Ilardi (2007). Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes. Philadelphia: American Philosophical Society. str. 4—5. ISBN 978-0-87169-259-7. 
  21. „The Telescope”. Galileo.rice.edu. Pristupljeno 14. 6. 2016. 
  22. Henry C. King (2003). The History of the Telescope. Courier Dover Publications. str. 27. ISBN 978-0-486-43265-6. 
  23. Paul S. Agutter; Denys N. Wheatley (2008). Thinking about Life: The History and Philosophy of Biology and Other Sciences. Springer. str. 17. ISBN 978-1-4020-8865-0. 
  24. Ilardi, Vincent (2007). Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes. American Philosophical Society. str. 210. ISBN 978-0-87169-259-7. 
  25. „Microscopes: Time Line”. Nobelova fondacija. Pristupljeno 14. 6. 2009. 
  26. Watson, Fred (2007). Stargazer: The Life and Times of the Telescope. Allen & Unwin. str. 55. ISBN 978-1-74175-383-7. 
  27. Ilardi, Vincent (2007). Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes. American Philosophical Society. str. 244. ISBN 978-0-87169-259-7. 
  28. Caspar, Kepler, str. 198–202, "Courier Dover Publications", 1993; ISBN 0-486-67605-6.
  29. Caspar, Kepler, str. 198–202, "Courier Dover Publications", 1993; ISBN 0-486-67605-6.
  30. 30,0 30,1 A. I. Sabra (1981). Theories of light, from Descartes to Newton. CUP Archive. ISBN 0-521-28436-8. 
  31. W. F. Magie (1935). A Source Book in Physics. Štamparija Univerziteta Harvard. str. 309. 
  32. J. C. Maxwell (1865). „A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 155: 459. Bibcode:1865RSPT..155..459C. doi:10.1098/rstl.1865.0008. 
  33. Za detaljniji pristup složenosti Plankovih intelektualnih motivacija za kvant i njegovo odlaganje prihvatanja njegovih implikacija, pogledajte: H. Kragh, Max Planck: the reluctant revolutionary, Physics World, decembar 2000.
  34. Einstein, A. (1967). „On a heuristic viewpoint concerning the production and transformation of light”. Ur.: Ter Haar, D. The Old Quantum Theory (PDF). Pergamon. str. 91—107. Pristupljeno 18. 3. 2010.  Ovo je poglavlje prijevod Ajnšatjnovog rada o fotoelektričnom efektu iz 1905. na engleski jezik.
  35. Einstein, A. (1905). „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt” [O heurističkom gledištu koje se tiče proizvodnje i transformacije svetlosti]. Annalen der Physik (na jeziku: nemački). 322 (6): 132—148. Bibcode:1905AnP...322..132E. doi:10.1002/andp.19053220607. 
  36. „On the Constitution of Atoms and Molecules”. Philosophical Magazine. 26, serija 6: 1—25. 1913. Arhivirano iz originala na datum 4. 7. 2007. . Znameniti rad u kojem su izloženi Bohrov model atoma i molekularno povezivanje.
  37. R. Feynman (1985). „Chapter 1”. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Štamparija Univerziteta Princeton. str. 6. ISBN 0-691-08388-6. 
  38. N. Taylor (2000). LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war. New York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0. 

Spoljašnje veze[uredi]