miniatura|derecha|La óptica incluye el estudio de la dispersión de la luz
La óptica (del latín medieval opticus, «relativo a la visión», proveniente del griego clásico , optikós) es la rama de la física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz, incluidas sus interacciones con la materia y la construcción de instrumentos que se sirven de ella o la detectan. La óptica generalmente describe el comportamiento de la luz visible, de la radiación ultravioleta y de la radiación infrarroja. Al ser una radiación electromagnética, otras formas de radiación del mismo tipo como los rayos X, las microondas y las ondas de radio muestran propiedades similares.
La mayoría de los fenómenos ópticos pueden explicarse utilizando la descripción electrodinámica clásica de la luz. Sin embargo, la óptica práctica generalmente utiliza modelos simplificados. El más común de estos, la óptica geométrica, trata la luz como un conjunto de rayos que viajan en línea recta y se desvían cuando atraviesan o se reflejan en las superficies. La óptica física es un modelo de la luz más completo, que incluye efectos ondulatorios como la difracción y la interferencia, que no se pueden abordar mediante la óptica geométrica.
Algunos fenómenos dependen del hecho de que la luz muestra indistintamente propiedades como onda y partícula. La explicación de estos efectos requiere acudir a la mecánica cuántica. Al considerar las propiedades de la luz similares a las de las partículas, se puede modelar como un conjunto de fotones individuales. La óptica cuántica se ocupa de la aplicación de la mecánica cuántica a los sistemas ópticos.
La óptica como ciencia es un campo muy relevante, y es estudiada en muchas disciplinas con las que está íntimamente relacionada, como la astronomía, varios campos de la ingeniería, la fotografía y la medicina (particularmente la oftalmología y la optometría). Las aplicaciones prácticas de la óptica se encuentran en una gran variedad de tecnologías, incluidos espejos, lentes, telescopios, microscopios, equipos láser y sistemas de fibra óptica.
Historia miniatura|derecha|La lente de Nimrud, descubierta en ruinas del Imperio asirio
Las primeras aplicaciones de la óptica muy probablemente comenzaron con el desarrollo de lentes en el antiguo Egipto y en Mesopotamia. Las primeras lentes conocidas, hechas de cristal pulido, a menudo cuarzo, datan ya del año 700 a. C., como la lente de Nimrud, descubierta en Asiria. También se conocen esferas de cristal rellenas de agua utilizadas como lentes en la antigua Roma y en la antigua Grecia. La invención de estos objetos fue seguida por la aparición de teorías sobre la luz y la visión planteadas por los antiguos filósofos griegos y de la India, y por el desarrollo de la óptica geométrica en el mundo grecorromano. El vocablo óptica proviene de la palabra griega (optikē), que significa "aspecto, apariencia".
La filosofía griega sobre la óptica se dividió en dos ideas opuestas sobre cómo funcionaba la vista: la "teoría de la visión" y la "teoría de la emisión".A History Of The Eye Retrieved 2012-06-10.
El primer enfoque consideraba que la visión provenía de los propios objetos. Según la teoría aristotélica de la visión, las sensaciones se realiza a través de un medio, por ejemplo el aire o el agua. Estos son transparentes, en cuanto posibilidad o potencia. La actualización de la transparencia es la luz; ésta es, por tanto, un estado de lo transparente como tal en vez de un movimiento, y su aparición es instantánea. Aristóteles creía que la luz era una especie de disturbio en el aire. Sin embargo, según Aristóteles, la luz no viaja o se mueve, sino es una presencia que inunda el espacio. Los atomistas como Demócrito, Epicuro y sus seguidores sostenían que los objetos que emitían imágenes de sí mismos (llamadas eidola) que eran captadas por el ojo.
Platón fue el primero que articuló la teoría de la emisión, la idea de que la visión se logra mediante rayos emitidos por los ojos. También habló sobre la inversión en los espejos (de la paridad entre un objeto y su imagen reflejada) en el Timeo. Unos cien años después, Euclides escribió un tratado titulado Óptica, donde vinculó la visión a la geometría, creando la óptica geométrica. En su trabajo sobre la teoría de la emisión de Platón describió las reglas matemáticas de la perspectiva y describió los efectos de la refracción cualitativamente, aunque cuestionó que un rayo de luz emitido desde un ojo iluminara instantáneamente las estrellas cada vez que alguien parpadeaba.
Claudio Ptolomeo, en su tratado Óptica, introdujo una teoría de la visión que combinaba las dos anteriores: los rayos (o el flujo emitido) del ojo formaban un cono, el vértice estaba dentro del ojo y la base definía el campo visual. Los rayos eran sensibles y transmitían información al intelecto del observador sobre la distancia y la orientación de las superficies. Resumió gran parte del trabajo de Euclides y describió una forma de medir los efectos de la ley de Snell, aunque no se dio cuenta de la relación empírica existente entre los ángulos.
miniatura|derecha|Reproducción de una página de un manuscrito de Ibn Sahl que demuestra su conocimiento de la ley de la refracción
Durante la Edad Media las ideas griegas sobre la óptica fueron resucitadas y ampliadas por varios escritores en el mundo islámico. Uno de los primeros fue Al-Kindi (c 801-73), que escribió sobre los méritos de las ideas aristotélicas y euclidianas de la óptica, favoreciendo la teoría de la emisión, ya que podía cuantificar mejor los fenómenos ópticos.Adamson, Peter (2006). "Al-Kindi¯ and the reception of Greek philosophy". In Adamson, Peter; Taylor, R.. The Cambridge companion to Arabic philosophy. Cambridge University Press. p. 45. . En 984, el matemático iraní Ibn Sahl escribió el tratado "Sobre espejos y lentes incendiarios", describiendo correctamente una ley de refracción equivalente a la ley de Snell. Utilizó esta ley para calcular formas óptimas para lentes y espejos curvos. A principios del , Alhacén, considerado uno de los padres de la óptica, escribió el Libro de óptica (Kitab al-manazir) en el que exploró la reflexión y la refracción y propuso un nuevo sistema para explicar la visión y la luz basado en la observación y la experimentación. Rechazó la "teoría de emisión" de la óptica ptolemaica con sus rayos emitidos por el ojo, y planteó la idea de que la luz se refleja en todas las direcciones en líneas rectas desde todos los puntos de los objetos vistos y luego entra en el ojo, aunque no fue capaz de explicar correctamente cómo el ojo captaba los rayos. El trabajo de Alhacén fue ignorado en gran medida en el mundo árabe, pero fue traducido anónimamente al latín alrededor del año 1200 y más tarde resumido y expandido por el monje polaco Witelo, convirtiéndose en un texto estándar sobre óptica en Europa durante los 400 años siguientes.;
En la Europa medieval del , el obispo inglés Roberto Grosseteste escribió sobre una amplia gama de temas científicos y discutió la luz desde cuatro perspectivas diferentes: una epistemología de la luz, una metafísica o cosmogonía de la luz, una etiología o física de la luz y un teología de la luz,D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), pp. 94–99. basándose en las obras de Aristóteles y el platonismo. El discípulo más famoso de Grosseteste, Roger Bacon, escribió obras que citan una amplia gama de trabajos ópticos y filosóficos por entonces traducidos, incluidos los de Alhacén, Aristóteles, Avicena, Averroes, Euclides, al-Kindi, Ptolomeo, Tideus y Constantino el Africano. Bacon pudo usar partes de esferas de vidrio como lupas para demostrar que la luz se refleja en los objetos en lugar de liberarse de ellos.
Los primeros anteojos prácticos fueron inventados en Italia alrededor de 1286. Este fue el comienzo de la industria óptica del pulido de lentes para estos oculares, primero en Venecia y Florencia en el ,'''The Galileo Project > Science > The Telescope''' by Al Van Helden '' Galileo.rice.edu. Retrieved 2012-06-10. y más tarde en los centros de fabricación de gafas en los Países Bajos y Alemania. Los fabricantes de gafas crearon tipos mejorados de lentes para la corrección de la visión, basados más en el conocimiento empírico obtenido al observar los efectos de las lentes que en utilizar la rudimentaria teoría óptica de la época (teoría que ni siquiera podía explicar adecuadamente cómo funcionaban las gafas). La práctica del desarrollo, el dominio y la experimentación con lentes condujo directamente a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595 y del telescopio refractor en 1608. Ambos aparecieron en los centros de fabricación de gafas en los Países Bajos.Microscopes: Time Line, Nobel Foundation. Retrieved April 3, 2009
miniatura|Ocular de un telescopio galileano (c. 1620)
Hacia el año 1600 Galileo Galilei dirigió su primitivo telescopio refractor hacia el firmamento, dando origen a la astronomía moderna, que podía servirse de instrumentos de aumento para ver los detalles de los cuerpos celestes. Siguiendo su estela, a principios del Johannes Kepler amplió la óptica geométrica en sus escritos, cubriendo las lentes, los reflejos de espejos planos y curvos, los principios de la cámara estenopeica, las leyes de los cuadrados inversos que rigen la intensidad de la luz y las explicaciones ópticas de fenómenos astronómicos como los eclipses lunares y solares y el paralaje astronómico. También fue capaz de deducir correctamente el papel de la retina como el órgano real que percibe las imágenes, y finalmente fue capaz de cuantificar científicamente los efectos de los diferentes tipos de lentes que los fabricantes de gafas habían estado observando durante los últimos 300 años. Después de que se inventara el telescopio, Kepler estableció las bases teóricas sobre cómo funcionaba y describió una versión mejorada, conocida como telescopio kepleriano, utilizando dos lentes convexas para producir una mayor ampliación.Caspar, Kepler, pp. 198–202 , Courier Dover Publications, 1993, .
miniatura|derecha|Portada de la primera edición del tratado Opticks, de Isaac Newton
La teoría óptica progresó a mediados del con los tratados escritos por el filósofo René Descartes, en los que explicaba una gran variedad de fenómenos ópticos, incluyendo la reflexión y la refracción al asumir que la luz era emitida por los objetos que la producían. Esta interpretación difería sustancialmente de la antigua teoría de emisión griega. A finales de la década de 1660 y principios de la de 1670, Isaac Newton expandió las ideas de Descartes en una teoría corpuscular de la luz, y determinó que la luz blanca era una mezcla de colores que se puede separar en sus partes componentes con un prisma. En 1690, Christiaan Huygens propuso una explicación ondulatoria para la luz, basándose en las sugerencias que había hecho Robert Hooke en 1664. El propio Hooke criticó públicamente las teorías de la luz de Newton y la disputa entre los dos duró hasta la muerte de Hooke. En 1704, Newton publicó Opticks y, en ese momento, en parte debido a su éxito en otras áreas de la física, generalmente se le consideraba el vencedor en el debate sobre la naturaleza de la luz.
miniatura|derecha|Miroscopio de Robert Hooke, grabado de su obra Micrographia