mini|desno|247x247px|Između ostalog, optika proučava i disperziju svjetlosti. Optika je grana fizike koja proučava ponašanje i osobine svjetlosti, uključujući njene interakcije s materijom, a bavi se i konstrukcijom instrumenata koji se koriste svjetlošću ili je otkrivaju. Obično opisuje ponašanje vidljive, ultraljubičaste i infracrvene svjetlosti. Zbog toga što je svjetlost elektromagnetni talas, ostali oblici elektromagnetnog zračenja, kao što su rendgensko i mikrotalasno zračenje i radiotalasi, ispoljavaju slične osobine.
Većina optičkih fenomena objašnjava se pomoću elektrodinamičkog opisa svjetlosti. Međutim, potpune elektromagnetne opise svjetlosti često je teško primijeniti u praksi. Praktična optika obično se koristi pojednostavljenim modelima. Najčešći od njih, geometrijska optika, tretira svjetlost kao zbir zraka koje se kreću pravolinijski, a lome se kad prolaze kroz nešto ili kad se odbijaju od površina. Talasna optika obuhvatniji je model svjetlosti, koji uključuje talasne efekte poput difrakcije i interferencije, koji ne mogu biti objašnjeni geometrijskom optikom. Historijski, model svjetlosti zasnovan na zrakama razvijen je prvi, a uslijedio je talasni model. Napredak u elektromagnetnoj teoriji u 19. stoljeću doveo je do otkrića da su svjetlosni talasi zapravo elektromagnetno zračenje.
Neki fenomeni zavise od činjenice da svjetlost istovremeno ima osobine talasa i osobine čestice. Objašnjenje za ove efekte zahtijeva upotrebu kvantne mehanike. Kad se posmatraju čestične osobine svjetlosti, svjetlost se predstavlja kao zbir čestica zvanih "fotoni". Kvantna optika bavi se primjenom kvantne mehanike u optičkim sistemima.
Optika kao nauka relevantna je za mnoge povezane discipline, uključujući astronomiju, razna polja inženjerstva, fotografiju i medicinu (naročito oftalmologiju i optometriju). Optika je našla praktičnu primjenu u raznim vrstama tehnologije i svakodnevnim predmetima, uključujući ogledala, leće, teleskope, mikroskope, lasere i optička vlakna.
Historija
mini|desno|Nimrudova leća|190x190piksel Počeci optike jesu leće koje su izradili stari Egipćani i Mezopotamci. Najranije poznate leće, napravljene od poliranog kristala, često kvarca, datiraju iz 700. p. n. e. i poznate su kao asirske leće, kakva je i Nimrudova. Stari Rimljani i Grci ispunjavali su staklene kugle vodom da bi napravili leće. Ovaj praktični razvoj pratio je i razvoj teorija o svjetlosti i vidu od strane starih grčkih i indijskih filozofa, kao i razvoj geometrijske optike u grčko-rimskom svijetu. Sama riječ optika potječe od starogrčke riječi ὀπτική (optikē), što znači "pojava, izgled".
U grčkoj filozofiji prevladavale su dvije suprotstavljene teorije o optici vezane za to kako funkcionira čulo vida: "intromisijska" i "emisijska". 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 djelu Timaj također je komentirao parnost obrnutih likova u ogledalima. Nekih 100 godina kasnije Euklid je napisao traktat Optika, u kojem je vid povezao sa geometrijom, ustanovivši tako geometrijsku optiku. 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 svjetlosti iz oka može trenutno osvijetliti zvijezde svaki put kad neko trepne. 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 osjetljive i prenosile su informacije o udaljenosti i orijentaciji površina nazad do posmatračevog razuma. On je rekapitulirao većinu Euklidovog rada i otišao dalje od njega opisavši način mjerenja ugla refrakcije iako nije uspio uočiti empirijsku vezu između njega i upadnog ugla.
mini|upright|Alhazen (Ibnul-Hejsem), "otac optike" mini|desno|upright|Reprodukcija stranice Ibn-Sehlovog rukopisa koja pokazuje njegovo znanje o zakonu refrakcije. Tokom srednjeg vijeka grčke ideje o optici obnovili su i proširili autori iz tadašnjeg muslimanskog svijeta. 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.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; . Godine 984. perzijski matematičar Ibn-Sehl napisao je traktat O gorućim ogledalima i lećama, ispravno opisavši zakon refrakcije ekvivalentan Snellovom zakonu. Koristio se ovim zakonom da izračuna optimalne oblike leća i sfernih ogledala. Početkom 11. stoljeća 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 svjetlosti, zasnovan na posmatranju i eksperimentu. Odbacio je emisijsku teoriju iz ptolemejske optike i umjesto nje predložio ideju da se svjetlost pravolinijski odbija u svim smjerovima od svih vidljivih tačaka datog objekta i zatim ulazi u oko iako nije mogao objasniti kako oko hvata zrake. Alhazenovo djelo bilo je uglavnom zanemareno u arapskom svijetu, ali je anonimno prevedeno na latinski oko 1200. godine, a dodatno ga je proširio poljski monah Witelo, učinivši ga standardnim udžbenikom optike u Evropi u narednih 400 godina.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.
U 13. stoljeću u Evropi engleski biskup Robert Grosseteste pisao je o mnogim naučnim temama raspravljajući o svjetlosti iz četiri perspektive: epistemologija svjetlosti, metafizika ili kosmogonija svjetlosti, etiologija ili fizika svjetlosti i teologija svjetlosti,D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, Štamparija Univerziteta Chicago, Chicago, 1976, str. 94–99. zasnivajući to na Aristotelovim djelima i platonizmu. Grossetesteov najpoznatiji učenik, Roger Bacon, napisao je radove u kojima je citirao širok raspon nedavno prevedenih djela iz filozofije i optike, uključujući djela Alhazena, Aristotela, Avicene, Ibn-Rušda, Euklida, El-Kindija, Ptolemeja, Tideja i Konstantina Afrikanca. Bacon je bio u mogućnosti koristiti dijelove staklenih sfera kao lupe da pokaže da se svjetlost odbija od objekata umjesto da je objekti emitiraju.
Prve naočale izumljene su u Italiji oko 1286. Ovo je bio početak optičke industrije struganja i poliranja leća za ove "naočale", najprije u Veneciji i Firenci u 13. stoljeću, a kasnije u centrima za proizvodnju naočala u Holandiji i Njemačkoj. Proizvođači naočala napravili su poboljšane vrste leća za korekciju vida zasnovane više na empirijskom znanju stečenom posmatranjem efekata leća nego na korištenju proste optičke teorije tog vremena (koja uglavnom nije mogla adekvatno objasniti čak ni to kako naočale funkcioniraju). Ovaj praktični razvoj, majstorstvo i eksperimentiranje lećama direktno su doveli do izuma složenog optičkog mikroskopa oko 1595. i refraktorskog teleskopa 1608. u centrima za proizvodnju naočala u Holandiji.
Početkom 17. stoljeća Johannes Kepler u svojim je radovima proširio poglede na geometrijsku optiku, osvrnuvši se na leće, odbijanje svjetlosti od ravnih i sfernih ogledala, način rada stenopeičnih kamera, upravljanje zakona obrnutih kvadrata jačinom svjetlosti i optička objašnjenja astronomskih pojava kao što su pomračenje Mjeseca i Sunca i astronomska paralaksa. Također je uspio utvrditi ulogu mrežnjače kao organa koji zapravo bilježi slike i konačno naučno kvantificirati efekte različitih vrsta leća koje su proizvođači naočala posmatrali prethodnih 300 godina. 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.Caspar, Kepler, str. 198–202, "Courier Dover Publications", 1993; .
mini|desno|upright|Naslovna stranica prvog izdanja Newtonove Optike Optička teorija unaprijeđena je sredinom 17. stoljeća traktatima filozofa Renéa Descartesa, u kojima su objašnjene razne optičke pojave, uključujući refleksiju i refrakciju, s pretpostavkom da svjetlost emitiraju objekti koji je proizvode. Ova tvrdnja značajno se razlikovala od starogrčke emisijske teorije. Krajem 1660-ih i početkom 1670-ih Isaac Newton proširio je Descartesove ideje i postavio korpuskularnu teoriju svjetlosti, poznatu po tome što je odredila da je bijela svjetlost mješavina boja koja se može razložiti na sastavne dijelove pomoću prizme. Godine 1690. Christiaan Huygens predložio je talasnu teoriju svjetlosti, zasnovanu na sugestijama Roberta Hookea iz 1664. Sam Hooke javno je kritizirao Newtonove teorije o svjetlosti i prepirka među njima trajala je do Hookeove smrti. Godine 1704. Newton je objavio Optiku i, u to vrijeme, djelomično zbog njegovog uspjeha u drugim oblastima fizike, općenito je smatran pobjednikom u debati o prirodi svjetlosti.
Njutnovska optika bila je općenito prihvaćena do početka 19. stoljeća, kad su Thomas Young i Augustin-Jean Fresnel izveli eksperimente o interferenciji svjetlosti koji su potvrdili njenu talasnu prirodu. Youngov poznati eksperiment sa dva procjepa pokazao je da svjetlost slijedi zakon superpozicije, što je karakteristika talasa, koju Newtonova korpuskularna teorija nije predvidjela. Ovaj rad doveo je do teorije difrakcije i otvorio čitavo područje proučavanja u fizikalnoj optici. Talasna optika uspješno je ujedinjena s Maxwellovom elektromagnetnom teorijom u 1860-ima.
Sljedeći razvoj u optičkoj teoriji desio se 1899, kad je Max Planck ispravno modelirao zračenje crnog tijela pretpostavivši da se razmjena energije između svjetlosti i materije dešava jedino u diskretnim količinama, koje je nazvao kvantovima.Za detaljniji pristup složenosti Planckovih intelektualnih motivacija za kvant i njegovo odlaganje prihvatanja njegovih implikacija, pogledajte: H. Kragh, Max Planck: the reluctant revolutionary , Physics World, decembar 2000. Godine 1905. Albert Einstein objavio je teoriju o fotoelektričnom efektu, koja je čvrsto uspostavila kvantizaciju same svjetlosti. Ovo je poglavlje prijevod Einsteinovog rada o fotoelektričnom efektu iz 1905. na engleski jezik. Godine 1913. Niels Bohr pokazao je da atomi mogu emitirati samo diskretne količine energije, objasnivši tako diskretne linije viđene u emisijskom spektru i apsorpcijskim spektrima.. Znameniti rad u kojem su izloženi Bohrov model atoma i molekularno povezivanje. Razumijevanje interakcije između svjetlosti 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 cjeline. Krajnji vrhunac, teorija kvantne elektrodinamike, objašnjava sve optičke i elektromagnetne procese općenito kao rezultat razmjene stvarnih i virtualnih fotona.