optikk

Geometrisk optikk kalles også for stråleteori. Her beskrives lyset av rette linjer (stråler), brytning og refleksjon. Geometrisk optikk er det teoretiske grunnlaget for speil, linser og prismer når man konstruerer optiske instrumenter.

I bølgeoptikken ser vi på lys som elektromagnetiske bølger som kan beskrives ved hjelp av Maxwells ligninger for elektromagnetiske felt. Fenomener som kan forklares på denne måten er refleksjon, brytning, dobbeltbrytning, dispersjon, interferens, diffraksjon, polarisasjon og spredning. Det er ingen skarp grense mellom geometrisk optikk og bølgeoptikk, og alle fenomener som kan beskrives med geometrisk optikk, kan også beskrives av bølgeoptikk.

I kvanteoptikken beskrives elektromagnetisk stråling ved hjelp av energikvanter (fotoner). Dette ble foreslått av Max Planck i 1900 for å forklare varmestråling, og av Albert Einstein i 1905 for å forklare den fotoelektriske effekten. I Niels Bohrs atomteori brukes lysets kvantenatur til å forklare emisjon og absorpsjon av lys i atomer og molekyler.

Kvanteoptikken er den mest generelle teorien for lys som fins i dag, og kan så vidt vi vet brukes til å forklare alle kjente fenomener og eksperimenter. Den er imidlertid komplisert, og bør derfor ikke brukes uten at den trengs. Vi bruker derfor bølgeoptikk til å beskrive de vanligste interferens- og polarisasjonsfenomenene, og geometrisk optikk til å beskrive stråler, brytning og refleksjon. Det å generere eller detektere/absorbere lys, derimot, må vanligvis beskrives med kvanteoptikk. Noen eksempler er absorpsjon av lys i materien og dermed stoffenes farger, de forskjellige formene for luminescens, optiske detektorer, fotokjemiske reaksjoner og comptoneffekt.

De tre disiplinene geometrisk optikk, bølgeoptikk og kvanteoptikk omfatter alt som har med lys å gjøre. Det finnes i tillegg andre disipliner som hører til en eller flere av de tre disiplinene ovenfor:

• Ikke-lineær optikk handler om ikke-lineære effekter ved store lysintensiteter. Når et svingende system, for eksempel en klangbunn eller en elektrisk forsterker, settes i svingning med en bestemt frekvens, kan det i systemet oppstå oversvingninger med frekvenser som er et helt antall ganger grunnfrekvensen. På samme måte kan det ved absorpsjon eller spredning av lys oppstå bølger med frekvenser som svarer til et heltall ganger den opprinnelige frekvensen. Slike ikke-lineære optiske effekter kan oppstå når intense laserstråler absorberes eller spres, og bruke blant annet til å generere andre lysfrekvenser enn de som det finnes lasere til.
• Akustooptikk handler om vekselvirkning mellom lyd og lys.
• Elektrooptikk handler om vekselvirkning mellom lavfrekvente elektriske felt og lys. Lavfrekvente elektriske felt betyr at frekvensen er mye mindre enn den optiske frekvensen. Dette innebærer at elektriske felt som lages direkte av elektronikk, kan påvirke lyset. Ordet elektrooptikk brukes også noen ganger om mer generell teknologi i området mellom optikk og elektronikk.
• Fysiologisk optikk omfatter teorier for synsfunksjonen, sammenhengen mellom avbildningen i øyet og synsinntrykket, etterbilder, optiske illusjoner med mer. Fysiologisk optikk danner et grenseområde mellom fysikk og fysiologi, blant annet nevrofysiologi.
• Meteorologisk optikk handler om lys i meterologien. Atmosfæren gir grunnlag for optiske prosesser i global målestokk som er av stor betydning for livet på Jorden, for eksempel drivhuseffekten.

Betegnelsen optikk stammer fra Evklids verk «Optikken» (Optiké, ca. 300 fvt.), som rommet en fullstendig lære om stedet for det sette i et geometrisk definert synsrom. Dette synsrommet har form av en strålekjegle med sin spiss i øyet og sin grunnflate i det sette. Betingelsen for at noe skal bli sett er at det treffes av «synsstråler», og at det er stort nok til å danne grunnflate i en synskjegle. For øyet er tingenes størrelse bestemt av synskjeglens åpningsvinkel (synsvinkelen). Deres sted i synsfeltet er bestemt ut fra vår intuitive fornemmelse av høyre, venstre, opp og ned når vi retter blikket mot tingene.

Evklids optikk er en ren perspektivlære om det sette. Synsstrålene har ingen bestemte fysiske eller fysiologiske egenskaper.

Også før Evklid fantes det ansatser til prinsipper for synets fysiologiske grunnlag. Platon bestemte for eksempel det sette som en fornemmelse av farge. Han begrunnet denne fornemmelsen som en virkning av at øyets «ild» gjør motstand mot tingenes «ild». Selv om Platon i denne forbindelse snakket om «stråler», mente han åpenbart ikke geometriske linjer, men dynamiske kvaliteter. Han skildret også anskuelig hvordan synsilden selv omsmelter en del av vår organisme til et gjennomsiktig medium for synet.

Platons elev Aristoteles avviste forestillingen om «stråler» og «ild», det være seg fra tingen eller fra øyet. Han oppfattet lys som en dynamisk egenskap ved mediet, som ligger til grunn for gjennomsiktighet, og han begrunner det sette som en fornemmelse som oppstår gjennom øyets berøring med et gjennomsiktig medium.

Demokrit skal ha forsøkt å begrunne det sette som en slags gjenspeiling i øyet. Under henvisning til at vi ser speilbilder på øyets hornhinne, skal han ha tenkt seg at tingene utstråler bilder (eidola) som består av atomer som alt etter sine former og overflateegenskaper fremkaller spesifikke fargefornemmelser i øyet.

Empedokles tenkte seg at øyet er gjennomtrengt av porer som sorterer de innkomne billedelementer. En slik oppfatning synes å peke mot våre dagers forestillinger om spesifikke sanseceller (reseptorer) som formidlere av informasjon.

Det er typisk for de første greske teoretikerne at de bygde på prinsipper, men uten å prøve prinsippene kritisk gjennom systematiske eksperimenter. Praktiske erfaringer som ble trukket inn, stammet fra dagligliv og håndverk. Men innenfor denne erfaringsrammen var tidens teoretikere nøyaktige iakttagere, og prinsippene deres var solide. Det som har skjedd frem til i dag, er ikke at prinsippene er blitt forkastet, men heller at de er blitt utvidet.

Et eksempel på den antikke optikkens begrensede rekkevidde er at selv om man kjente til avbildning gjennom små hull (camera obscura) og utnyttet dette, for eksempel ved betraktning av solformørkelser, hadde man ut fra Evklids og tidens optikk for øvrig ingen generell forklaring på dette fenomenet.

Av andre optiske fenomener som Evklid ikke kunne forklare, kan nevnes «måneillusjonen», nemlig at måneskiven synes større når den står ved horisonten enn når den står høyt på himmelen. Evklids optikk tar heller ikke stilling til problemet om syn med to øyne (stereoskopisk syn).

Fra den sengreske perioden er det særlig to optikere som har gjort seg bemerket, nemlig Heron (ca. 100 evt.) og Ptolemaios (ca. 150 evt.), begge fra Alexandria.

Heron etterlot seg blant annet en lære om speilbilder (katoptrikk) og er kjent for et generelt teorem som sier at lyset ikke gjør unødvendige omveier mellom to punkter, men alltid følger den korteste vei. Teoremet kan ha hatt sin bakgrunn i et generelt metafysisk prinsipp hos Aristoteles. Det klassifiseres i dag som et minimumsprinsipp. Da det ble tatt opp igjen på 1600-tallet, oppdaget man at det alltid gjelder for speiling i plan- og kulespeil, men ikke alltid for hulspeil. Det ble da erstattet av et mer generelt ekstremalprinsipp (Fermats prinsipp).

Ptolemaios etterlot seg en optikk i fem bind. Han gjorde blant annet systematiske målinger av lysets brytning i vann. Hans brytningstabeller, som er en blanding av målinger og ekstrapolerte (utlignede) verdier, ble brukt i praksis frem til 1600-tallet, da Willebrord Snell og René Descartes formulerte en allmenn brytningslov.

Også Ptolemaios beskjeftiget seg med «måneillusjonen» og forklarte den som en subjektiv perspektivisk illusjon, som skyldes at horisonten i sin alminnelighet synes fjernere enn himmelhvelvingen. Vanligvis opplever vi ikke himmelen som en halvkule, men som en avflatet hvelving. Måneillusjonen er for øvrig et fenomen som fortsatt beskjeftiger forskere.

Optikken fikk en ny blomstring i den persisk-arabiske kulturen, hvor Ibn al-Haitham (Alhazen) rager som en av de fremste optikere gjennom tidene. Han bygde på grekernes prinsipper og bekjente seg særlig til Aristoteles, men i sitt store verk om optikk (latin Thesaurus Opticae) overgikk han langt grekerne når det gjelder teoretiske og eksperimentelle enkeltstudier.

I et eget verk om brennspeil behandlet han den matematiske teorien for sfæriske og parabolske speil, samt øyets bygning og virkemåte. Hans navn er knyttet til «Alhazens problem», som går ut på å bestemme det punktet på et gitt kulespeil som reflekterer en stråle fra et gitt punkt i retning av et gitt øye. Oppgaven fører til en ligning av fjerde grad som han på gresk måte løste geometrisk ved hjelp av kjeglesnitt.

Han gjorde systematiske forsøk med camera obscura og formulerte en generell teori for avbildning gjennom hull.

Renessansen ble et vendepunkt i optikkens historie, noe som kan sees i sammenheng med et våknende behov for å avbilde det sette. Dette hadde praktisk interesse i landskapstopografi og kartografi, men også for billedkunsten var det blitt et mål å gjengi tingene slik de viser seg for øyet. Dette ledet til oppdagelsen av sentralperspektivet og loven om forsvinningspunkter.

I tiden etter renessansen ble sentralperspektivet ivrig studert, og perioden har etterlatt seg ikke bare lærebøker, men også mekaniske hjelpemidler i form av sikteinnretninger til bruk for malere og topografer som ville sikre seg en perspektivisk korrekt gjengivelse i sine bilder.

Dette medførte også et behov for å kunne gjengi fordelingen av lys og skygge på tingenes overflater, samt skyggekasting generelt. En frukt av tidens systematiske studier av skyggekasting var de første ansatser til projektiv geometri, et fagområde som på 1800-tallet skulle komme til å utvide Evklids geometri og grunnlaget for fysikkens verdensbilde (se også Gérard Désargue).

Det ble nå vanlig å tale om to optikker, nemlig prospettiva naturalis, som ikke var noe annet enn Evklids lære om det sette, og prospettiva artificialis, som var læren om sentralperspektivisk avbildning av det sette på en flate.

En annen frukt av den nye optikken var oppfatningen av øyet som instrument for sentralperspektivisk avbildning på netthinnen. Allerede Leonardo da Vinci hadde ut fra sine eksperimenter med camera obscura overveid denne muligheten, men han klarte ikke å konstruere en tilfredsstillende modell for et slikt øye.

Ved å utnytte sine kunnskaper om lysbrytning og sine praktiske erfaringer med perspektivisk avbildning kunne Johannes Kepler vise at øyelinsen avbilder ytre objekter på netthinnen. Dermed skapte han den geometriske avbildningsoptikken, som fortsatt brukes.

Med dette begynte et nytt kapittel i optikkens historie. Forestillingene om synsstråler og eidola ble nå forlatt, til fordel for den aristoteliske ideen om lyset som prosess i et medium. Dette underbygde interessen for et systematisk studium av lysets funksjon i mediet, noe som igjen medførte at optikken ble delt opp i to disipliner: geometrisk optikk og fysikalsk optikk.

Men Kepler selv hadde allerede gått enda videre. Et bilde på netthinnen er ikke identisk med det sette i Evklids betydning, og Kepler innså at optikken må utvides med en vitenskap om hvordan en avbildning gjennom øyet blir transformert til det sette. Denne vitenskapen kalte han «fysiologi».

En videre oppdeling av optikken fant sted gjennom virkeliggjørelsen av en vitenskap om synets fysiologiske grunnlag. Som vi har sett, har denne disiplinen røtter i antikkens optiske prinsipper, men en praktisk anvendbar form fikk den først ved inngangen til 1800-tallet. Da systematiserte Goethe sine erfaringer med det som han kalte «fysiologiske farger», samtidig som Thomas Young grunnla teorien for tre typer av fargereseptorer i netthinnen.

Mot slutten av 1800-tallet sammenfattet Hermann Helmholtz synsvitenskapens historie, erfaringsmateriale og teorier i sitt store verk Physiologische Optik. Herfra stammer betegnelsen «fysiologisk optikk».