Optika

Optika zkoumá podstatu světla a zákonitosti světelných jevů, které vznikají při šíření světla a při vzájemném působení světla a látky. Jako světlo označujeme elektromagnetické vlnění v úzce vymezeném intervalu.


Optika má dlouhou historii a je vedle mechaniky jedním z nejstarších oborů fyziky. Původní snahou bylo vysvětlit podstatu vidění. To souvisí s tím, že člověk získává zrakem více než 80 % informací o světě. S první teorií přišla Pythagorejská škola. Domnívali se, že z oka vystupují neviditelné paprsky, které ohmatávají předměty. Empedokles se domníval, že světlo vychází nejen z oka, ale i ze svítících předmětů. Jeho názory odmítl Aristoteles, který byl přesvědčen, že světlo je bezbarvá, průhledná hmota, která je opakem tmy.

V době středověku se oblastí vzdělanosti staly východní země. Zrodila se praktická optika, především v práci Alhazena. Jako jeden z prvních popsal funkci oka, sestrojil cameru obscuru. V Evropě, o čtyři sta let později, tedy ve 13. století se objevily brýle, i když jejich použití ještě nebylo podepřeno žádnou teorií. Ve 14. století se rozvíjela teorie perspektivy, jejímž hlavním autorem byl Leonardo da Vinci, který kromě toho popsal i stavbu lidského oka, které zkoumal při pitvách. Oko vařil ve vaječném bílku aby neztratilo původní tvar a dalo se pitvat. Teprve v 16. století se z vědy o vidění stala věda o světle.

S první teorií světla přišel v roce 1678 Christian Huygens. Světlo považoval, podobně jako zvuk, za vlnění, které se šíří nehmotným, bezbarvým éterem. V roce 1704 přišel Isaac Newton s emanační - korpuskulární teorií. Tato teorie vysvětlovala světelné úkazy jako drobounké částice svou velikostí odpovídající barvě světla. Částice se pohybují prostorem přímočaře, pronikají průhlednými látkami, odrážejí se od látek neprůhledných jako pružné kuličky, a když vstoupí do oka, vyvolají vjem vidění. Newton nebyl první, kdo s částicovou teorií přišel. První byl starořecký učenec Demokritos, jehož velkým odpůrcem a zastáncem světla jako jakýchsi vlnek byl Aristoteles. Už tehdy začal velký spor trvající několik dalších století. Newtonova autorita způsobila úpadek vlnové teorie v 18. století. Hlavními zastánci Newtonovy teorie byli Jean Baptiste Biot, Étienne-Louis Malus, David Brewster apod. První, kdo se postavil proti Newtonově teorii byl ve 40. letech 18. století Leonhard Euler. Kritizoval Newtonovu teorii barev a doplnil ji vysvětlením z hlediska vlnové teorie, zavedl pojem vlnové délky a její závislosti na barvě světla, frekvence jako konstantní veličiny pro určitou barvu. Teprve začátkem 19. století byl objeven ohyb světla a Newtonova teorie se dostala do slepé uličky. Nedokázala ohyb vysvětlit. Thomas Young objevil interferenci, Augustin Jean Fresnel pomocí ní vysvětlil ohyb světla, Leon Foucault zjistil, že rychlost světla ve vodě je menší než ve vzduchu. To přispělo k přijetí vlnové teorie a zavrhnutí částicové teorie. V roce 1862 přišel James Clerk Maxwell s elektromagnetickou teorií. Zjistil, že elektromagnetické rozruchy i světlo mají stejný původ a není mezi nimi zásadní rozdíl. Maxwellovu teorii později experimentálně potvrdil Heinrich Hertz. Na počátku 20. století přišel Max Planck s teorií záření černého tělesa a kvantovou teorii světla.V současné době se světlu přiřazují vlastnosti vln i částic. Za určitých podmínek se světlo chová jako částice, za jiných jako vlny. Tento jev se označuje jako - tzv. dualismus světla.

Z historických důvodů se optika dělí na vlnovou a kvantovou. Vlnová optika zkoumá otázky související se vznikem, podstatou a šířením světla. Jejím základem jsou Maxwellovy rovnice a vlastnosti prostředí popisuje fenomenologicky pomocí makroskopických materiálových konstant. Vlnová optika umožňuje objasnit všechny zákony geometrické optiky a stanovit meze její použitelnosti a platnosti. Geometrická optika je založena na představě světelných paprsků, které se šíří prostorem navzájem nezávisle a řídí se zákonem lomu a odrazu. Na jejím základě byla vybudována teorie optického zobrazování, která je základem pro konstrukci optických soustav, používaných v řadě oblastí vědy a techniky. Vlnová optika nám umožňuje zkoumat jevy difrakce, interference a polarizace světla a řadu dalších jevů. Kvantová optika se zabývá mikrostrukturou světelných polí a optickými jevy, které mají výrazný kvantový (korpuskulární) charakter. Umožňuje pochopit a správně vysvětlit interakci (vzájemné působení) záření s látkou. Kvantová optika bude zařazena do části moderní fyzika.