Зарождение оптики. Плоское зеркало

ЗАРОЖДЕНИЕ ОПТИКИ. ПЛОСКОЕ ЗЕРКАЛО (оптика ранней Античности) Оптика – наука, которая уже в древности прямо или косвенно была связана с практическими нуждами. Греческие геометры, приступив к исследованию оптических явлений, в том числе атмосферной оптики (т.н. “метеоры”), обнаружили видимую прямо-линейность распространения света: подсказкой здесь послужили отбрасываемые предметами тени. Затем учение о свете было включено в систему линейной геометрии; были разработаны геометри-ческие методы образования изображения как от плоского, так и от кривого зеркала - эти исследования греки назвали катоптрикой (наука об отражении лучей от зеркальных поверхностей). Методика прослеживания луча для нахождения изображения, впервые серьезно изученная во времена Пифагора, широко используется при оптических расчетах и в наши дни. В 444 г. до н.э. греческий философ Эмпедокл выдвинул теорию, альтернативную идее Пифагора. По Эмпедоклу предметы становятся видимыми благодаря использованию неуловимого щупальца, простирающегося от глаза и захватывающего видимый предмет. Идея о существовании какого-то излучения, выходящего из глаза, стала известной под названием "теории окулярных пучков". Эта теория получила широкое распространение, однако в 350 г. до н.э. встретила сильнейшее сопротивление со стороны Аристотеля.

ГИПОТЕЗА ПЕЛЛУЦИДА. СИСТЕМЫ ПЛОСКИХ ЗЕРКАЛ (античная оптика) Аристотель считал свет проявлением некоей разряженной среды, называемой пеллуцид и заполняющей все пространство. По его мнению, через эту среду передается определенного рода воздействие от объекта к глазу. Мысль эта безусловно созвучна высказанной в XIX в. идее распространения света как колебаний разряженного эфира. Изучал не только законы отражения, но и преломления световых лучей. Автором первых дошедших до нас греческих работ по оптике был Эвклид. Известна его “Оптика” - трактат по теории перспективы. Законы перспективы выводятся здесь из четырнадцати исходных положений, установленных на основе оптических наблюдений. На закон отражения Эвклид ссылается как на нечто уже известное: он говорит, что этот закон доказывается в его "Катоптрике», которая, увы, не сохранилась.

НАЧАЛО КАТОПТРИКИ - НАУКИ ОБ ОТРАЖЕНИИ (античная оптика) Вероятно, уже в древности сочинение Эвклида было оттеснено на второй план более объемной “Катоптрикой” Архимеда (впоследствии также утерянной), содержавшей строгое изложение всех достижений греческой геометри-ческой оптики. Сам Архимед был не только теоретиком оптики, но и мастером оптических наблюдений, о чем свидетельствует описанная им методика определения видимого диаметра Солнца. В своих расчетах он учитывает даже размеры человеческого зрачка. Полученное им значение оказывается очень близким к истинному (до 6…8 мм). Во II в. до н.э. теория построения изображений кривыми зеркалами достаточно продвинулась вперед, оправдывая предание, по которому Архимед поджег римский флот около Сиракуз, сконцентрировав солнечный свет “зажигательными” вогнутыми зеркалами. Кроме того, древним грекам было известно и зажигательное действие собирающих линз, описанное впервые в V в. до н.э. в комедии Аристофана “Облака”. О зажигательном действии стеклянных и хрустальных шаров пишут римляне Плиний и Сенека. Последний указывает на увеличительное действие стеклянной сферы, заполненной водой.

НАЧАЛО ДИОПТРИКИ - НАУКИ О ПРЕЛОМЛЕНИИ (оптика поздней Античности) В эпоху поздней античности оптическими исследованиями занимались Герон и Птолемей. Трактат Герона “Катоптрика” содержит обоснование прямолинейности световых лучей бесконечно большой скоростью их распространения. Далее Герон приводит доказательство закона отражения, основанное на предположении, что путь, проходимый светом, должен быть наименьшим из всех возможных (это частный случай принципа, традиционно связываемого с именем Ферма). Вслед за законом отражения рассматривает различные типы зеркал, особое внимание уделяя цилиндрическим зеркалам и вызываемым им искажениям изображений. Впервые количественными диоптрическими измерениями занимался Птолемей. Он исследовал преломление лучей в воде, наполовину погружая диск с делениями в воду и определяя углы падения и преломления. Полученные по его данным значения показателя преломления воды лежат в диапазоне от 1.25 до 1.34. Птолемей впервые описал явление полного внутреннего отражения.

ПОЯВЛЕНИЕ УВЕЛИЧИТЕЛЬНЫХ СТЕКОЛ (оптика арабского мира) После античного периода развития науки о световых явлениях на протяжении почти 900 лет - от Птолемея до Ибн ал-Хайсама - оптические исследования принесли мало нового. Возрождение античного знания и дальнейшее развитие науки начались в арабском мире. Арабы сделали немало в области многих наук, в том числе и в оптике. Считается, что именно они создали линзы, хотя еще император Нерон, по преданию, пользовался обработанным смарагдом (изумрудом) для наблюдения гладиаторских боев. Крупнейшим сочинением по оптике, написанным в средние века, был трактат “Сокровище оптики” Ибн ал-Хайсама, где он критикует представление о зрительных лучах и исходит из того, что лучи света распространяются от источника света. На основе изучения анатомии глаза ученый рассматривает механизм зрения, зрительное восприятие и обманы зрения. Кроме “Книги оптики”, он написал еще целый ряд оптических трактатов, в частности, “Книгу о зажигательной сфере”, лежащую в основе теории линз, два трактата о зажигательных параболических зеркалах и “Книгу о форме затмений”, содержащую теорию камеры-обскуры. Отметим, что обширные сведения по оптике содержались в трудах великих арабских астрономов и философов Ибн-Сины (“Трактат об освещении светом”) и Ал-Бируни (“Астролябии”, “Тени”), написанных в X - XI веках.

СРЕДНЕВЕКОВАЯ ОПТИКА Большое влияние на средневековые оптические исследования оказал написанный в 1271г. десятитомный трактат польского физика Вителло “Оптика”, в котором описаны многочисленные опыты и наблюдения за природными оптическими явлениями и разработаны важные для художников вопросы перспективы. Являясь в большой степени удачной компиляцией работ Эвклида, Птолемея и Альхазена, трактат на долгие годы стал основой университетских оптических курсов. Гравюра XVI века, помещенная на обложке одного из изданий “Оптики”, представляет все наиболее важные оптические явления, описываемые в ней: учение о метеорах, или атмосферная оптика (Солнце, радуга, гало, миражи и т.п.); учение о перспективе (сужающийся мост, размеры слонов и кораблей); учение об отражениях, или катоптрика (изображение в плоском зеркале, фокусировка сферическими зеркалами); учение о преломлениях, или диоптрика (“излом” предметов, помещенных в воду). Кроме того, художник представил на гравюре мысленно перенесенное им в средние века сожжение римского флота Архимедом в гавани Сиракуз. К сожалению, фундаментальная работа Вителло более 150 лет практически не была известна, что, конечно, сказалось на темпах развития оптических исследований в Европе. При этом появился значительный разрыв между практикой ремесленников - стекольщиков и теорией университетских профессоров-оптиков.

ИЗОБРЕТЕНИЕ ОЧКОВ. СТРОЕНИЕ ГЛАЗА (оптика эпохи Возрождения) В области оптики наиболее важным достижением средневековья было изобретение в XIII в. очков, тогда же появились наконец первые серьезные исследования по оптике. Наиболее известны работы Бэкона, много внимания уделявшего преломлению и отражению в линзах и зеркалах. Оторванностью чистой науки от практики объясняется тот факт, что ученые-оптики не рекомендовали ношение очков: “Основная цель зрения - знать правду, линзы для очков дают возможность видеть предметы большими или меньшими, чем они есть в действительности, ... иной раз перевернутыми, деформированными и ошибочными, следовательно, они не дают возможности видеть действительность”. Однако, остановить развитие очкового ремесла было невозможно, и, начиная с конца XV века, происходит резкий сдвиг оптики в практическую область, во многом благодаря трудам Леонардо да Винчи.

КОРРЕКЦИЯ ЗРЕНИЯ. ПРИЗМЫ (оптика конца XVI века) После работ Леонардо долгое время не было сколько-нибудь систематических исследований по оптике. В этой области знаний царила большая путаница, возможно, поэтому итальянский математик и физик Мавролик побоялся опубликовать свое оригинальное исследование по оптике. В его первой части рассмотрены вопросы геометрической оптики, во второй - преломление света, явление радуги, строение глаза, механизм зрения и принцип действия очков. Полагая, что хрусталик глаза работает как линза, он, в то же время, не смог признать, что изображение получается перевернутым, и серией ухищрений пытался доказать, что изображение будет прямым. Следующий шаг был сделан итальянцем Порта, который усовершенствовал камеру-обскуру, добавив собирающую линзу, и выдвинул идею проекционного фонаря. Вскоре он делает попытку построения хода лучей в линзах и даже приводит оптическую систему телескопа, утверждая, что ему удалось видеть на большом расстоянии мелкие предметы, однако никаких доказательств тому не приводит.

ПЕРВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ (оптика начала XVII века) Первая зрительная труба появилась на рубеже XVI и XVII веков в Голландии, о чем сообщил в 1608г. очковых дел мастер Липперсгейм. Известие о его изобретении побудило Галилея через год в Падуе построить свой телескоп и тем самым положить начало современной астрономии. Прогресс в развитии всех прикладных оптических исследований в значительной мере связан с его именем . “Звездный вестник” Галилея послужил могучим стимулом к созданию разнообразных конструкций телескопов и других оптических приборов. Путем логических рассуждений он пришел к выводу о необходимости сочетания выпуклой и вогнутой линз для получения искомого эффекта увеличения. Галилей первым понял, что качество изготовления линз для очков и и для зрительных труб должно быть совершенно различным, усовершенствовал технологию изготовления линз, что позволило ему создать инструмент, увеличивающий в 32 раза, в то время как все существовавшие до него зрительные трубы давали увеличение лишь в 3 - 6 раз. После смерти Галилея его сменил Торричелли, которому суждено было открыть секрет контроля качества обработки линз. Так как в первой половине XVII века еще не было известно явление интерференции, то результат работы шлифовальщиков целиком зависел от случая. Хотя так и не открыл свой секрет и не опубликовал ни одной работы по оптике, полагают, что он заметил интерференционные кольца, возникающие при притирке линзы с поверхностью формы, и использовал их для оценки качества обрабатываемой поверхности. Заметим, что когда он умер, официальным открывателям “колец Ньютона” Роберту Гуку и Исааку Ньютону было 12 и 5 лет соответственно.

МНОГОЛИНЗОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (оптика середины XVII века) Фундамент современной научной оптики линз заложил выдающийся немецкий астроном Кеплер. Точный закон преломления при нем еще не был известен, и все же он придумал такие системы линз для телескопов, что даже в наши дни кеплеровский окуляр находит применение в оптических приборах. Помимо интенсивных занятий астрономией, он изобретает зрительную трубу, состоящую из двух положительных линз (телескоп Кеплера) с большим полем зрения и промежуточным перевернутым действительным изображением, в плоскости которого можно располагать визирующее устройство. Это превратило телескоп из инструмента наблюдательного в инструмент измерительный. Он впервые применил камеру-обскуру для наблюдения солнечного затмения, установив, что форма изображения на стенке камеры не зависит от формы отверстия. В "Диоптрике" Кеплера содержатся начала анализа и синтеза оптических систем, а также все основные понятия геометрической оптики.

ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА (оптика середины XVII века) Семнадцатый век стал поистине первой революцией в оптике: появились телескоп и микроскоп, были изобретены совершенные рецептуры варки стекла, резко поднялось мастерство шлифовальщиков и открылась возможность контроля формы обрабатываемых поверхностей. Однако, настоящий научный аппарат для расчета оптических систем мог быть создан только на основе точной формулировки закона преломления. Честь его открытия по праву делят голландец Снеллиус и француз Декарт. Уже со второй половины XVII века в научный оборот входят понятия аберраций, диафрагм и зрачков. Возникают методы габаритных и энергетических расчетов. Можно сказать, что из общего оптического знания начинает выделяться как отдельная наука прикладная оптика. Но это уже тема специальных курсов. Мы же попробуем далее проследить зарождение и развитие физической оптики, как науки о природе света, его свойствах и структуре.