Оптика и таласи кроз историју
Стари век
Народи су старог века познавали жичане инструменте, о чему сведоче нпр. слике египатске цивилизације. То значи да су познавали и законе обликовања тонова на жичаном инструменту, односно чињеницу да јаче затегнута жица производи виши тон. Питагорејци су обављали и прве огледе са жицама различитих дужина. Тако су спознали да жице које трепере производе угодне звуке само ако су им дужине у одређеним сразмерама целих бројева, те је тиме утврђена зависност дужине жице и висине тона. У антици је била позната и чињеница да се звук шири ваздухом. Платон (427. – 347. пне.) наводи да треперење тела узрокује треперење ватдуха које се преноси до уха. Херон (2. век пне.) први описује настанак звука. Сматра да инструменти производе тонове задајући ударце честицама зрака. И питања су о природи светлости постављена већ у старом веку. Древни су Бабилонци познавали праволинијско ширење светлости. У античкој су Грчкој научници разматрали питање коначности, односно бесконачности брзине светлости. Аристотел тврди да је брзина светлости бесконачна, јер није забележен ниједан „долазак“ или „одлазак“ зрака светлости. Демокрит сматра да је светлост честичне природе, што је повезано с његовом идејом атома. Зачетником се оптике сматра Еуклид (4. век пне), аутор познатих дела Оптика и Катоптрика. У својој Оптици каже да је вид резултат „зрака вида“ које излазе из ока и описује начин на који видимо удаљене предмете. У делу Катоптрица Еуклид расправља о одбијању и преламању светлости и тумачи настанак слика у равним и конкавним огледалима. У једном од аксиома у овој књизи доноси закон одбијања светлости доказујући да су угао одбијања и упадни угао једнаки. Према легенди, Архимед је употребио удубљена огледала да би уз помоћ Сунчеве светлости запалио једра непријатељских бродова пред Сиракузом. Херон такође познаје закон одбијања светлости и сматра да се светлост шири праволинијски зато што има већу брзину од свих тела. Први износи идеју начела најмањег времена које у 17. веку формулише Фермат. Према Херону, брзина је светлости толико велика да се не може измерити, али није бесконачна. Због великог је утицаја Аристотелове филозофије током дугих векова превладало уверење да је брзина светлости бесконачна, па ће проћи много времена док се људи поновно не запитају је ли брзина светлости бесконачна, и ако није, колико она износи. Средњи век
Настављачи су античких истраживања из подручја оптике били научници арапске цивилизације. Схапур Ибн Сахл (10. век), физичар и судски службеник тадашњега багдадског суда, написао је извештај О горућим огледалима и сочивима у коме објашњава како закривљена огледала и сочива одбијају, односно ломе светлост. Занимљиво је да је сам израђивао сочива. Такође у 10. веку Ибн ал-Хаитхам у свом делу из оптике развија теорију светлости. Објашњава вид и користећи изразе из геометрије и анатомије. Тврди да свака тачка осветљеног простора исијава „светлосне зраке“ у свим смеровима, али се из једне тачке може видети само један зрак – онај који доспе у око. Остали, сматра, промашују око јер се шире под другим углом. Разрадио је методу мерења углова преламања светлости и показао да угао преламања није сразмеран углу упада, бар не за цели квадрант, како је то тврдио Птоломеј. Ал Хаитхам сматра да се светлосни зраци састоје од честица које путују коначним брзинама. Такође описује закон преламања и дисперзију светлости. Утврђује да упадни, прломљен зрак и нормала на раван припадају истој равни. Зна за могућност повећања слике помоћу сферног огледала и познаје зависност видног угла од удаљености предмета. У књизи Китаб ал-Маназир говори о бојама заласка Сунца, сенкама и дуги. Први је направио тамну комору (camera obscura) којом је посматрао слике Сунца и Месеца. Абу Али ибн Сина (980. – 1037.) се слаже да је брзина светлости коначна, а као аргумент наводи спознају да се светлост састоји од честица. Покушава објаснити настанак дуге. Абū Раyхāн ал-Бīрūнī (973. – 1048.) закључује да је брзина светлости много већа од брзине звука. Qутб ал-Дин ал-Схирази (1236. – 1311.) и Камāл ал-Дīн ал-Фāрисī (1260. – 1320.) описују како настаје дуга. Оптика се у 11.веку развија и у Кини. Сун Сиконг (1015. – 1076.) претпоставља да је дуга резултат контакта између Сунчевих зрака и влаге у ваздуху, док Схен Куо (1031.–1095.) тврди да је дуга настаје због прелома светлости у атмосфери. Схен је веровао да се Сунчеви зраци ломе пре него дођу до површне Земље па сматра како због прелома светлости прави положај Сунца није онај који видимо на небу. Тврди да Месец светли јер рефлектује Сунчеву светлост, односно закреће Сунчеву светлост за одређени угао. Као модел Месеца користи сребрну осветљену куглу, која се може посматрати из више углова. Оптиком се у Европи бавио и фрањевац Roger Bacon (13. век) нарочито тумачењем настанка дуге и конструисањем различитих оптичких уређаја. У Италији Erasmo Vitello (13. век) такође даје своје објашњење дуге и конструише наочаре. Ренесанса
Подручје оптике је запостављено током ренесансе. Тек се у 16. веку њоме баве италијански научници Francesco Maurolyco (1494. – 1575.) и Giambattista della Porta (1538. – 1615.). Maurolyco je 1613. г. издао два рада из оптике, но како су Кеплерови радови из оптике били објављени пре, његов је допринос оптици остао мање запажен. Ипак, Maurolyco је први доказао да светлосни зрак, после прелома на планпаралелној плочи, остаје паралелан с упадном зраком и објаснио мане вида кратковидност и далековидност. Такође, први је описао седам дугиних боја (дотадашње је мишљење било да дуга садржи три боје), а данас се сматра пиониром у истраживању прелома светлости у призми. Della Porta експериментише са сочивима и огледалима. Уочио је положај и особине жиже сферног огледала и назвао га је „тачка у којој се окреће слика“. Сочивима и тамном комором експериментише 1558. г. и објашњава аналогију ока и тамне коморе. Сматра, да слика предмета настаје на очном сочиву као на заклону. У делу из 1593. г. расправља о преламању светлости и својим резултатима проучавања сочива. Аутор је првих цртежа зрака специфичних за сочива. Италијан Giambattista Benedetti (1530. – 1590.), пореклом из Венеције, проучавао је консонантност звука. Разлог је за консонанцију пронашао у правилном измењивању периода дугих и кратких таласа вибрација. Нови век
У 17. веку настају и први оптички инструменти. Микроскоп је старији него телескоп и настао је око 1595. год. у Миделбургу у Низоземској. Конструисали су га мајстори стаклари Hans Lippershey , Hans Јаnssеn и његов син Zacharias. Унапређују га касније Галилеи и Хук који у раду Микрографија из 1665. год. наводи и резултате које је њиме добио. У истој радионици у којој је конструиран први микроскоп настаје 1608. год. и први телескоп. И његову је конструкцију побољшао и први га уперио у ноћно небо Галилео Галилеи 1610. год. Конструисање првога телескопа, што данас приписујемо Галилеију, сам је изумитељ описао у делу Звездани гласник (Sidereys Nyncius) користећи за њега назив перспицилум. Попут телескопа низоземских мајстора и Галилејев је телескоп био рефрактор, с дивергентним сочивом као окуларом, а конвергентним као објективом. Повећавао је око 30 пута. Објашњење принципа телескопа покушао је дати Галилеијев савременик и колега са Свеучилишта у Падови Рабљанин Antun Marko de Dominis у свом раду О зракама вида... (De radiis visus...), издатим 1611.год. Велики допринос развоју геометријске оптике даје Кеплер који се током читаве 1603. год. посвећује искључиво њој. Резултат је рад из 1604. год. Додатак Вителлу... (Ad Vitellionem Paralipomena Qуibбуs Аstronomiае Pars Optica Тraditуr) у којем описује закон реципрочних квадрата код интензитета светлости, одбијање од равних и закривљених огледала, резултате везане за преламање светлости, начело тамне коморе и астрономске импликације оптике попут паралаксе и привидне величине небеских објеката. Споменуто се дело сматра зачетком модерне оптике. Своја истраживања Кеплер проширује на студију људског ока те је први протумачио настанак обрнуте слике предмета на мрежници ока, настанак мана ока, а променама закривљености очног сочива објаснио акомодацију ока. Године 1611. Кеплер објављује Диоптрику у којој разматра потпуно одбијање светлости, пут светлосних зрака у сочивима и саставима сочива и уводи појмове оптичка оса и жижна даљина за планконвексна и биконвексна сочива. Кеплер је и предлагач конструкције телескопа рефрактора с два конвергентна сочива који зовемо његовим именом, а први га је конструирао немачки астроном Christoph Scheiner (1575.–1650.) око 1613. год. Уз рефракторе 1616. год. Niccolo Zycchi (1586.–1670.) предлаже конструкцију телескопа рефлектора коме је објектив закривљено огледало. Закон преламања светлости је експерименталним путем открио низоземски математичар Willebrord van Snell (1580.–1626.) 1621. г. Иако га никада није објавио. Први га објављује и доказује René Descartes у делу Dioptrica iz 1637.г., па се закон понекад назива и Декартовим законом преламања. Descartes проучава промену брзине светлости на прелазу из једне средине у другу темељећи своје проучавање на учењу арапског оптичара Alhazena. Descartesov извод закона преламања светлости критикује познати француски математичар Pierre Fermat (1601. – 1665.) и изводи закон из Heronova начела и 1662. г. Формулише начело најмањег времена: светлост из тачке A у једној средини у тачки B у другој средини пролази оним путем за који јој је потребно најкраће време. Fermat уочава да је брзина светлости зависи од оптичке густине средине, односно да је брзина светлости у оптички ређој средини већа од брзине светлости у оптички гушћој средини. René Descartes даје велики допринос оптици теоријом настанка дуге: исправно тумачи настанак примарне и секундарне дуге и рачуном доказује да углови под којима се виде примарна, односно секундарна дуга износе 51, односно 42 степена. Италијански је математичар Bonaventura Cavalieri (1598. – 1647.) изучавао сочива и дошао до релације за израчунавање жижне даљине биконвексног и биконкавног сочива. Крајем се 17. века сочивима бави и енглески астроном Edmond Halley (1656. – 1742.). Знаменити је низоземски физичар, математичар и астроном Christian Huygens (1629.–1695.) написао више дела из подручја оптике. Позната су дела „Опера религија“ и „Расправа о светлости“ (Traitbe de la lumiaere). Хajгенс изводи законе одбијања и преламања светлости, изучава поларизацију светлости и заступа концепт таласне природе светлости. Сматра да се светлост шири као импулс кроз еластичну средину, слично ширењу таласа на води када у њу бацимо камен. Тиме постаје зачетником теорије таласне или ундулаторне теорије светлости, коју данас зовемо његовим именом – Хајгенсова теорија светлости, а коју касније развијају Fresnel I и Yоung. По тој се теорији талас светлости шири тако да свака честица таласне фронте постаје извор новога кугластог таласа (елементарни талас), а анвелопа свих елементарних таласа постаје фронтом новога таласа. Године 1704. Isaac Newton (1643. – 1727.) објављује дело Optica. Овом подручју доприноси конструкцијом телескопа рефлектора, проучавањем дисперзије светлости на призми, теоријом боја и истраживањем интерференције (нпр. боје танких листића и Њутнови колобари), које на одређени начин представљају први интерференцијски спектроскоп. Њутн тврди да је бела светлост састављена од осталих боја, а спектар настаје преламањем беле светлости на призми при чему се свака боја ломи под различитим углом. За светлост свих боја, осим црвене, с прилично великом прецизношћу одређује таласне дужине. Њутн заступа честичну или корпускуларну теорију светлости, но не одбацује потпуно ни таласну теорију. "Након неколико сати посматрања Сунца у огледалу довео бих очи у такво стање да је било довољно да само бацим поглед на неки светли предмет па да видим Сунце пред собом, тако да се нисам усуђивао ни писати ни читати; да повратим способност вида, затварао сам се по три дана у потпуно замрачену собу и на сваки начин настојао одвратити чак и мисли од Сунца. Када год би ми оно пало на ум, одмах би ми пред очима засјала његова слика премда сам био у тами". Њутнови записи из студентског доба, У 17. веку обављена су прва мерења брзине светлости. Галилео Галилеи је 1607. покушао одредити брзину светлости помоћу два посматрача с фењерима, међутим, непрецизност мерења је била велика и након више покушаја могао само закључити да је брзина светлости много велика. Дански је астроном Ole Roemer (1644.-1710) први одредио брзину светлости астрономском методом. Радећи у Паризу као асистент астронома Giovannija Cassinija (1625. – 1712.) Ромер је проматрао помрачење Јупитерових сателита. Због кружења Земље, Јупитера и његових пратилаца, светлост одбијена од Јупитерових сателита не прелази до Земље увек исти пут, па помрчине Јупитерових сателита трају различито. Мерењем њиховог трајања и користећи Касинијеве податке о удаљеностима међу небеским телима, Ромер је одредио брзину светлости и добио вредност 214 000 m/s. „.Светлости (с Јупитерова месеца) треба неко време да дође до Земље; чини се да јој и треба око 10 до 11 минута да пређе удаљеност једнаку полупречнику Земљине путање.„ Römer, 1675. г. 19. век
Током 19. века почиње се развијати таласни концепт природе сетлости који поступно превладава над корпускуларном теоријом светлости прихваћеном у 18. веку. Енглеског физичара, лекара, астронома и истраживача Thomasa Younga (1773.–1829.) сматрамо утемељитељем физичке оптике. Његова су постигнућа значајно утицала на модерну науку, посебно на развој таласне теорије светлости, коју је увео у делу Скице и екперименти у вези са звуком и светлошћу. Young је претпоставио да су таласи светлости транверзални и разјаснио је интерференцију светлости. Бавио се истраживањем вида и објаснио је акомодацију ока и астигматизам, па га сматрамо и утемељитељем физиолошке оптике. Придонео је теорији боја поставивши хипотезу о перцепцији боја која зависи од три врсте живчаних влакана у мрежњачи која реагују на црвену, зелену и љубичасту светлост. Теорију је касније развио Hermann von Helmholtz (Young – Helmholtzova теорија), a експериментално је доказана 1959. године. Huygensovu teрију светлости преиспитује и представља у аналитичком облику француски инжењер, математичар и физичар Etienne-Louis Malus (1775.–1812.). Он 1809. год. објављује откриће поларизације рефлексијом, а 1810. године и теорију двоструког преламања светлости на кристалима. Малус је открио и услов под којим долази до поларизације рефлексијом, но законитост је у потпуности, нешто касније, формулисао David Brewster. Малусов закон описује зависност интензитета поларизоване светлости од угла који затварају поларизатор и анализатор. Sir David Brewster (1781.–1868.) шкотски научник, проналазач и писац, посветио се изучавању оптике и дао јој највеће доприносе у опису поларизације рефлексијом и рефракцијом, открићу поларизиране структуре индковане топлотом и притиском, открићу двоосних кристала и откривању везе између оптичких структура и кристала. Augustin Jean Fresnel (1788. –1827.) француски је физичар познат по својим теоријским и експерименталним истраживањима природе светлости. Проучавао је нагиб, интерференцију, поларизацију и аберацију светлости. Fresnel је први 1821. г. математичким методама доказао Youngovu претпоставку да је светлост трансверзални талас и објаснио поларизацију уз ту претпоставку. Конструисао је бројне оптичке уређаје као нпр. Fresnelovа сочива Fresnelov ромб, a најпознатија су тзв.. Fresnelova огледала која омогућавају постизање интерференције светлости без преламања на отвору. Плејади знаменитих француских научника, заговорника таласне теорије светлости у 19. веку, припада и François Jean Dominique Arago (1786.–1853.), математичар, физичар, астроном и политичар. Бавио се многим подручјима физике и био славан као предавач астрономије. Близак пријатељ Fresnela, подржавао је његове теорије о светлости и заједно с њим обављао оптичке експерименте. Араго је проналазач поларископа и поларизацијског филтра. Кључни експеримент који је 1838. године подупро таласну теорију о природи светлости, онај о мерењу брзине светлости у различитим срединама који су остварили Hippolyte Fizeau и Léon Foucault, сугерисао је Arago. Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819.–1896.) бавио се оптиком. Истражује интереференцију светлости и 1848. предвиђа црвени помак електромагнетних таласа чиме је укључен у откриће Dopplerova efekta. Године 1849. објављује прве резултате своје методе одређивања брзине светлости тзв. Fizeau – Foucault-уређајем. Jean Bernard Léon Foucault (1819. –1868.) заједно са Fizeauom ради низ експеримената о интензитету Сунчеве светлости, интерференцији инфрацрвеног зрачења и хроматској поларизацији. Године 1850. користи Fizeau – Foucaultov уређај за одређивање брзине светлости у познатом Foucault – Fizeauov- ом експерименту. Foucaultu дугујемо изум поларизатора, који зовемо његовим именом, и методу процене квалитете телескопа рефлектора тзв. „Foucaultov test“. Foucault је познат по експерименту са tzv. Foucaultov-им клатном којим је 1851. године дао експериментални доказ Земљине ротације. На 19. век данас гледамо као и на време рођења спектроскопије, која започиње опажањем Сунца. Године 1802. William Hyde Wollaston (1766.–1828.) запажа у спектру Сунца 7 тамних црта; 1840.г. John Frederick William Herschel (1792. – 1871.) запажа тамне црте у инфрацрвеном, a 1843. год. Alexandre-Edmond Becquerel (1820. – 1891.), отац нобеловца Henrija Bequerela, и у ултраљубичастом подручју спектра. Спектроскоп је 1814. год. открио немачки физичар Joseph von Fraunhofer (1787 –1826.), и исте је године у високоразлученом спектру Сунца открио 574 тамне линије, назване Fraunhoferovim линијама, и одредио им је таласне дужине. Усавршио је дифракцијску решетку коју је крајем 18. века открио амерички астроном David Rittenhose. Немачки научници Gustav Robert Kirchhoff (1824.–1887.) и Robert Wilhelm Eberhard Bunsen (1811.–1899.) пионири су спектралне анализе. Године 1859. конструирали су први спектроскоп с 4 призме, а 1861. год. су том методом открили рубидиј и цезиј. Њихови су експерименти допринели разумевању порекла Fraunhoferovih апсорпцијских линија у Сунчевом спектру и њиховој повезаности с хемијским елементима. Kirchoff је знаменит и по својим законима струјнога кола и термичке емисије, отац је појма „зрачење црнога тијела“, а Bunsen je значајно допринео развоју хемије. Након Kirchhoffova и Bunsenova открића спектралне анализе Kirchhoffov се пријатељ банкар нашалио: „Каква корист од тога што смо сазнали да на Сунцу има злата ако га отамо не можемо добити.“ Након што је 1862. г. Kirchhoff као награду за објашњење Сунчевог спектра добио Rumfordovu златну медаљу одговара пријатељу: „Ипак сам успио добити злато од Сунца!“ Аустралијски физичар Christian Doppler (1803 –1853.) објавио 1842. год. познато дело O обојеној светлости двоструких и неких других звезда (Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels) у којем је описао појаву промену фреквенције таласа при релативном кретању извора и посматрача, коју познајемо као Dopplerov ефекат. Још један је великан рођен у Аустрији, физичар и филозоф Ernst Mach (1838.–1916.). У ранијим се радовима бавио Dopplerовим ефектом у оптици и акустици, затим интерференцијом, дифракцијом, поларизацијом и рефракцијом светлости. Средином 19. века немачки физичар Karl Hermann Knoblauch (1820. – 1895.) проучава интерференцију, преламање и поларизацију топлотних зрака и експериментално закључује да топлотни зраци имају већу таласну дужину од светлосних. Тако се сазнало да је видљиви део спектра само једно спектрално подручје. |