ОПТИКА

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Когда-то под оптикой понимали науку о зрении. Именно таков точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно превратилась из науки о зрении в науку о свете; этому способствовало изобретение линз и камеры-обскуры. Ныне оптика — это раздел физики, где исследуются процессы испускания света, распространение света в различных средах, его взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройством и функционированием глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой.

При рассмотрении многих оптических явлений (например, явлений, связанных с преломлением света на границе двух сред) можно пользоваться представлением о световых лучах — геометрических линиях, вдоль которых распространяется световая энергия. В этом случае говорят о геометрической (лучевой) оптике. Основу геометрической оптики составляют закон взаимной независимости световых лучей и принцип наименьшего времени, сформулированный в XVII в. французским математиком П. Ферма (см. Геометрическая оптика). Геометрическая оптика широко используется в светотехнике и при рассмотрении действия многочисленных оптических приборов и устройств — начиная от лупы и очков и кончая сложнейшими оптическими микроскопами и телескопами.

В начале XIX в. развернулись интенсивные исследования открытых ранее явлений интерференции, дифракции и поляризации света (О. Френель, Т. Юнг, Э. Малюс и др.). Эти явления не находили объяснения в рамках геометрической оптики, необходимо было рассматривать свет в виде поперечных волн. Так возникла волновая оптика. Первоначально полагали, что световые волны — упругие волны в некоей среде (мировом эфире), которая будто бы заполняет все мировое пространство. В 1864 г. английский физик Дж. Максвелл создал электромагнитную теорию света, согласно которой волны света — это электромагнитные волны, попадающие в соответствующий диапазон длин волн.

Исследования, выполненные в начале XX в., показали, что для объяснения некоторых явлений, например фотоэффекта, необходимо представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц — световых квантов, или, иначе говоря, фотонов (А. Эйнштейн). Заметим, что еще 200 лет назад И. Ньютон придерживался аналогичной точки зрения на природу света в своей «теории истечения света» (хотя, конечно, ньютоновские корпускулы не имеют ничего общего с фотонами). Теперь представления о световых квантах изучает квантовая оптика.

Можно ли считать, что геометрическая, волновая, квантовая оптика являются последовательными этапами в развитии оптики? Нет, так считать нельзя. Волновая оптика, действительно, возникла позже геометрической, однако ее возникновение вовсе не «отменяет» геометрическую оптику, равно как квантовая опгика не «отменяет» волновую. У каждой из указанных оптик есть свои области применения, свой круг практических задач. Например, для построения изображения в микроскопе и определения увеличения можно использовать геометрическую оптику; при рассмотрении же разрешающей способности микроскопа необходимо обратиться к волновой оптике (поскольку разрешение ограничивают дифракционные эффекты).

Строго говоря, квантовая оптика соответствует наиболее последовательному с физической точки зрения рассмотрению оптических явлений. При определенных условиях (когда фотоны сильно концентрируются в каких-то состояниях) поток фотонов уподобляется световой волне. Волновая оптика оказывается, таким образом, своеобразным предельным случаем квантовой оптики. Если при этом можно пренебречь (по условию рассматриваемой задачи) длиной волны света, как если бы она обратилась в нуль, то волновая оптика «переходит» в геометрическую. Следовательно, геометрическая оптика является своеобразным предельным случаем волновой оптики.

Удивительно, насколько велика роль оптики в развитии современной физики. Возникновение двух наиболее важных и революционных физических теорий XX столетия (квантовой механики и теории относительности) в существенной мере связано с оптическими исследованиями. Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальное научное направление — молекулярную оптику. К ней теснейшим образом примыкает оптическая спектроскопия, широко применяемая в современном материаловедении, исследованиях плазмы, астрофизике. Оптические представления и модели используются в электронике и ядерной физике. Существуют электронная оптика и нейтронная оптика; созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало. Разработаны оптические модели атомных ядер.

Способствуя развитию разных направлений современной физики, оптика в то же время и сама переживает сегодня период бурного развития. Основной толчок этому развитию дало изобретение интенсивных источников когерентного света — лазеров (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, В. А. Фабрикант, Ч. Таунс). В результате волновая оптика поднялась на более высокую ступень, соответствующую когерентной оптике. Трудно даже перечислить все новейшие научно-технические направления, развивающиеся (и развивавшиеся) благодаря появлению лазеров. Среди них нелинейная оптика, голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и др. Радиооптика возникла на стыке радиотехники и оптики; она исследует оптические методы передачи и обработки информации. Эти методы обычно сочетают с традиционными электронными методами; в результате сложилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектроникой. Передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам составляет предмет волоконной оптики. Используя достижения нелинейной оптики, можно исправлять (корректировать) волновой фронт светового пучка, искажающийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. В результате возникла и интенсивно развивается так называемая адаптивная оптика. К ней тесно примыкает зарождающаяся на наших глазах фотоэнергетика, занимающаяся, в частности, вопросами эффективной передачи световой энергии по лучу света. Современная лазерная техника позволяет получать световые импульсы длительностью порядка всего лишь пикосекунды (10-12 с). Такие импульсы оказываются уникальным «инструментом» для исследования целого ряда быстро-протекающих процессов в веществе, и в частности в биологических структурах (например, для исследования процессов фотосинтеза). Возникло и развивается специальное направление — пикосекундная оптика; к нему тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать, что широкое практическое йспользование достиженйй современной оптики — обязательное условие научно-технического прогресса. Оптика открыла человеческому разуму дорогу в микромир, она же позволила ему проникнуть в тайны звездных миров. Оптика охватывает все стороны нашей практической деятельности (вспомним о фотографии, кино, телевидении). Лазерная технология — важнейший элемент современного производства (см. Лазер).