Historie optiky - History of optics

Optika začal s vývojem čoček ze strany starých Egypťanů a Mesopotamians s následnou teorií na světlém a vize vyvinutý starověkých řeckých filozofů a vývoj geometrické optiky v řecko-římském světě . Slovo optika je odvozeno z řeckého výrazu τα ὀπτικά, který znamená „vzhled, vzhled“. Optika byla významně reformována vývojem ve středověkém islámském světě , jako byly počátky fyzické a fyziologické optiky, a poté výrazně pokročil v rané moderní Evropě , kdezačala difrakční optika . Tyto dřívější studie o optice jsou nyní známé jako „klasická optika“. Termín „moderní optika“ označuje oblasti optického výzkumu, které se do značné míry vyvinuly ve 20. století, jako je vlnová optika a kvantová optika .

Raná historie

Ve starověké Indii filozofické školy Samkhya a Vaisheshika zhruba od 6. do 5. století před naším letopočtem vyvinuly teorie o světle. Podle školy Samkhya je světlo jedním z pěti základních „jemných“ prvků ( tanmatra ), z nichž vycházejí hrubé prvky.

Naproti tomu škola Vaisheshika poskytuje atomovou teorii fyzického světa na neaatomickém základě éteru , prostoru a času. (Viz indický atomismus .) Základní atomy jsou atomy země ( prthivı ), vody ( apas ), ohně ( tejas ) a vzduchu ( vayu ), které by neměly být zaměňovány s běžným významem těchto výrazů. Z těchto atomů se tvoří binární molekuly, které se dále kombinují a vytvářejí větší molekuly. Pohyb je definován pohybem fyzických atomů. Světelné paprsky jsou považovány za proud vysoké rychlosti atomů tejas (ohně). Částice světla mohou vykazovat různé charakteristiky v závislosti na rychlosti a uspořádání atomů tejas . Kolem prvního století před naším letopočtem označuje Vishnu Purana sluneční světlo jako „sedm slunečních paprsků“.

V pátém století př. N. L. Empedokles předpokládal, že vše je složeno ze čtyř prvků ; oheň, vzduch, země a voda. Věřil, že Afrodita vytvořila lidské oko ze čtyř prvků a že zapálila oheň v oku, které z oka vyzařovalo a umožňovalo tak vidět. Pokud by to byla pravda, pak by člověk mohl v noci vidět stejně dobře jako ve dne, takže Empedocles předpokládal interakci mezi paprsky z očí a paprsky ze zdroje, jako je slunce. Uvedl, že světlo má konečnou rychlost.

Ve starověké Číně bylo také dosaženo značného vývoje v optice.

Řecký matematik Euclid ve své optice poznamenal, že „věci viděné pod větším úhlem vypadají větší a ty pod menším úhlem menší, zatímco ty pod stejnými úhly vypadají stejně“. V následujících 36 věcech Euclid porovnává zdánlivou velikost předmětu s jeho vzdáleností od oka a zkoumá zjevné tvary válců a kuželů při pohledu z různých úhlů. Pappus věřil, že tyto výsledky jsou důležité v astronomii, a zahrnoval Euclidovu optiku spolu se svými Phaenomena do Malé astronomie , kompendium menších prací, které mají být studovány před Syntaxis ( Almagest ) Ptolemaia .

V roce 55 př. N. L. Lucretius , římský atomista , napsal:

Neboť z jakékoli vzdálenosti nám mohou ohně vrhat světlo a dýchat jejich horké teplo na naše končetiny, neztrácejí nic z těla svých plamenů díky meziprostorům, jejich oheň není nijak zmenšený na pohled.

V jeho Catoptrica , Hrdina Alexandria ukázal geometrickým způsobem, že skutečná dráha pořízena paprsku světla odraženého od rovinného zrcadla je kratší, než jakýkoli jiný odražené dráhy, které by mohly být čerpána mezi zdrojem a bodem pozorování.

Ve druhém století Claudius Ptolemaios ve své optice provedl studie odrazu a lomu . Změřil úhly lomu mezi vzduchem, vodou a sklem a jeho publikované výsledky naznačují, že svá měření upravil tak, aby odpovídaly jeho (nesprávnému) předpokladu, že úhel lomu je úměrný úhlu dopadu .

Indičtí buddhisté , jako Dignāga v 5. století a Dharmakirti v 7. století, vyvinuli typ atomismu, který je filozofií reality skládající se z atomových entit, které jsou momentálními záblesky světla nebo energie. Dívali se na světlo jako na atomovou entitu ekvivalentní energii, podobnou modernímu pojetí fotonů , i když také viděli celou hmotu jako složenou z těchto částic světla/energie.

Geometrická optika

Raní spisovatelé, o nichž se zde diskutovalo, považovali zrak spíše za geometrický než za fyzický, fyziologický nebo psychologický problém. Prvním známým autorem pojednání o geometrické optice byl geometr Euclid (asi 325 př. N. L. - 265 př. N. L. ). Euclid začal studovat optiku, když začal studovat geometrii, se sadou samozřejmých axiomů.

  1. Čáry (nebo vizuální paprsky) lze k objektu nakreslit v přímé linii.
  2. Tyto čáry dopadající na předmět tvoří kužel.
  3. Jsou vidět ty věci, na které padají čáry.
  4. Věci viděné pod větším úhlem vypadají větší.
  5. Ty věci, které vidí vyšší paprsek, vypadají výše.
  6. Pravé a levé paprsky se objevují vpravo a vlevo.
  7. Věci viděné z několika úhlů vypadají jasněji.

Euclid nedefinoval fyzickou povahu těchto vizuálních paprsků, ale pomocí principů geometrie diskutoval o účincích perspektivy a zaokrouhlování věcí viděných na dálku.

Tam, kde Euclid omezil svou analýzu na jednoduché přímé vidění, Hero of Alexandria (c. 10–70 n. L.) Rozšířil principy geometrické optiky, aby zvážil problémy odrazu (catoptrics). Na rozdíl od Euclida Hero občas komentoval fyzickou povahu vizuálních paprsků, což naznačuje, že postupovaly velkou rychlostí od oka k pozorovanému předmětu a odrážely se od hladkých povrchů, ale mohly se zachytit v pórovitosti neleštěných povrchů. Tomu se začalo říkat emisní teorie .

Hero prokázal rovnost úhlu dopadu a odrazu na základě toho, že se jedná o nejkratší cestu od objektu k pozorovateli. Na tomto základě byl schopen definovat pevný vztah mezi objektem a jeho obrazem v rovinném zrcadle. Konkrétně se zdá, že obraz je za zrcadlem tak daleko, jako ve skutečnosti je objekt před zrcadlem.

Stejně jako Hero, Ptolemaios ve své optice (zachoval se pouze ve formě latinského překladu vážně vadné arabské verze) považoval vizuální paprsky za postupující od oka k pozorovanému předmětu, ale na rozdíl od Hero měl za to, že vizuální paprsky nebyly diskrétní linie, ale tvořily souvislý kužel. Ptolemaios rozšířil studium vidění nad rámec přímého a odraženého vidění; studoval také vidění pomocí lomených paprsků (dioptrie), kdy vidíme objekty rozhraním mezi dvěma médii různé hustoty. Prováděl experimenty k měření dráhy vidění, když se díváme ze vzduchu na vodu, ze vzduchu na sklo a z vody na sklo a tabuloval vztah mezi dopadajícími a lomenými paprsky.

Jeho tabulkové výsledky byly studovány pro rozhraní vzduch -voda a obecně hodnoty, které získal, odrážejí teoretický lom daný moderní teorií, ale odlehlé hodnoty jsou zkreslené, aby představovaly Ptolemaiovo apriorní model povahy lomu.

V islámském světě

Reprodukce stránky rukopisu Ibn Sahla ukazující jeho objev zákona lomu, nyní známého jako Snellův zákon .

Al-Kindi (asi 801–873) byl jedním z prvních významných optických spisovatelů v islámském světě . V díle známém na západě jako De radiis stellarum vyvinul al-Kindi teorii „že všechno na světě ... vyzařuje paprsky v každém směru, které vyplňují celý svět“.

Tato teorie aktivní síly paprsků měla vliv na pozdější učence jako Ibn al-Haytham , Robert Grosseteste a Roger Bacon .

Ibn Sahl , matematik působící v Bagdádu v 80. letech 19. století, je prvním islámským učencem, o kterém je známo, že sestavil komentář k Ptolemaiově optice . Jeho pojednání Fī al-'āla al-muḥriqa „O hořících nástrojích“ zrekonstruoval z dílčích rukopisů Rashed (1993). Práce se zabývá tím, jak zakřivená zrcadla a čočky ohýbají a zaostřují světlo. Ibn Sahl také popisuje zákon lomu matematicky ekvivalentní Snellovu zákonu . Svůj zákon lomu použil k výpočtu tvarů čoček a zrcadel, které zaostřují světlo v jednom bodě osy.

Alhazen (Ibn al-Haytham), „otec optiky“

Ibn al-Haytham (známý jako Alhacen nebo Alhazen v západní Evropě), psaní v 1010s, obdržel jak Ibn Sahl pojednání a částečný arabský překlad Ptolemaiovy optiky . Vytvořil komplexní a systematickou analýzu řeckých optických teorií. Klíčový úspěch Ibn al-Haythama byl dvojí: zaprvé, trvat na názoru Ptolemaia, že k vidění došlo kvůli paprskům vstupujícím do oka; druhým bylo definovat fyzickou povahu paprsků, o nichž hovořili dřívější geometrickí optičtí autoři, považovat je za formy světla a barvy. Tyto fyzikální paprsky poté analyzoval podle principů geometrické optiky. Napsal mnoho knih o optice, nejvíce významně Book of Optics ( Kitab al Manazir v arabštině ), přeložený do latiny jako De aspectibus nebo Perspectiva , který šířit své myšlenky do západní Evropy a měl velký vliv na pozdější vývoj optiky. Ibn al-Haytham byl nazýván „otcem moderní optiky“.

Avicenna (980-1037) souhlasil s Alhazenem, že rychlost světla je konečná, protože „pozoroval, že pokud je vnímání světla způsobeno emisí nějakého druhu částic světelným zdrojem, rychlost světla musí být konečná. " Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) také souhlasil, že světlo má konečnou rychlost, a uvedl, že rychlost světla je mnohem rychlejší než rychlost zvuku .

Abu 'Abd Allah Muhammad ibn Ma'udh , který žil v Al-Andalus během druhé poloviny 11. století, napsal práci o optice později přeloženou do latiny jako Liber de crepisculis , která byla mylně přičítána Alhazenovi . Jednalo se o „krátkou práci obsahující odhad úhlu deprese slunce na začátku ranního soumraku a na konci večerního soumraku a pokus vypočítat na základě těchto a dalších údajů výšku atmosférická vlhkost zodpovědná za lom slunečních paprsků “. Svými experimenty získal hodnotu 18 °, což se blíží moderní hodnotě.

Na konci 13. a počátku 14. století pokračovali Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311) a jeho žák Kamāl al-Dīn al-Fārisī ( 1260–1320 ) v práci Ibn al-Haytham a patřili mezi nejprve podat správná vysvětlení fenoménu duhy . Al-Fārisī publikoval svá zjištění ve svém Kitab Tanqih al-Manazir ( Revize optiky [Ibn al-Haytham] ).

Ve středověké Evropě

Anglický biskup Robert Grosseteste (c. 1175–1253) psal o široké škále vědeckých témat v době vzniku středověké univerzity a obnovy děl Aristotela. Grosseteste odrážel období přechodu mezi platonismem raně středověkého učení a novým aristotelismem , proto měl v mnoha svých spisech tendenci aplikovat matematiku a platonickou metaforu světla. Je mu připisována diskuse o světle ze čtyř různých perspektiv: epistemologie světla, metafyzika nebo kosmogonie světla, etiologie nebo fyzika světla a teologie světla.

Když pomineme otázky epistemologie a teologie, Grossetesteova kosmogonie světla popisuje původ vesmíru v tom, co lze volně popsat jako středověkou teorii „velkého třesku“. Jak jeho biblický komentář Hexaemeron (1230 x 35), tak jeho vědecký O světle (1235 x 40) se inspirovali v Genesis 1: 3 „Bůh řekl, budiž světlo“ a popsal následný proces stvoření jako přirozený fyzikální proces vyplývající z generativní síly expandující (a smršťující se) sféry světla.

Optický diagram ukazující lomení světla sférickou skleněnou nádobou plnou vody. (od Roger Bacon, De multiplicatione specierum )

Jeho obecnější uvažování o světle jako primárním činiteli fyzické příčinnosti se objevuje v jeho On Lines, Angles, and Figures, kde tvrdí, že „přírodní agent šíří svoji sílu od sebe k příjemci“ a v On the Nature of Places, kde poznamenává že „každá přirozená akce má různou sílu a slabost pomocí variací linií, úhlů a postav“.

Anglický františkánský , Roger Bacon (c. 1214 - 1294) byl silně ovlivňován Grosseteste spisů o významu světla. Ve svých optických spisech ( Perspectiva , De multiplicatione specierum a De speculis comburentibus ) citoval širokou škálu nedávno přeložených optických a filozofických děl, včetně Alhacena , Aristotela , Avicenny , Averroes , Euclida , al-Kindi , Ptolemaia , Tideus a Konstantin Afričan . Ačkoli nebyl otrocký imitátor, svou matematickou analýzu světla a vidění čerpal ze spisů arabského spisovatele Alhacena. Ale přidal k tomu novoplatónský koncept, pravděpodobně vycházející z Grosseteste, že každý předmět vyzařuje sílu ( druh ), pomocí které působí na blízké objekty vhodné k přijímání těchto druhů . Všimněte si, že Baconovo optické použití výrazu „ druh “ se výrazně liší od kategorií rod / druh nalezených v aristotelské filozofii.

Několik pozdějších prací, včetně vlivného A Moral Treatise on the Eye (latinsky: Tractatus Moralis de Oculo ) od Petera z Limoges (1240–1306), pomohlo popularizovat a šířit myšlenky nalezené v Baconových spisech.

Další anglický františkán, John Pecham (zemřel 1292), stavěl na díle Bacona, Grosseteste a rozmanité řady dřívějších spisovatelů a vytvořil nejrozšířenější učebnici optiky středověku, Perspectiva communis . Jeho kniha se soustředila spíše na otázku vidění, na to, jak vidíme, než na povahu světla a barev. Pecham následoval model stanovený Alhacenem, ale interpretoval Alhacenovy myšlenky na způsob Rogera Bacona.

Stejně jako jeho předchůdci, Witelo (narozen kolem roku 1230, zemřel mezi 1280 a 1314) čerpal z rozsáhlého souboru optických děl, které byly nedávno přeloženy z řečtiny a arabštiny, a vytvořil tak masivní prezentaci tématu s názvem Perspectiva . Jeho teorie vidění navazuje na Alhacena a neuvažuje o Baconově pojetí druhu , ačkoli pasáže v jeho práci ukazují, že byl ovlivněn Baconovými myšlenkami. Soudě podle počtu dochovaných rukopisů nebyla jeho práce tak vlivná jako u Pechama a Bacona, přesto jeho důležitost a význam Pechamova rostly s vynálezem tisku.

Theodorik z Freibergu (asi 1250 – asi 1310) byl jedním z prvních v Evropě, kdo poskytl správné vědecké vysvětlení fenoménu duhy , stejně jako Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311) a jeho žák Kamāl al- Dīn al-Fārisī (1260–1320) zmíněno výše.

Renesance a raný novověk

Johannes Kepler (1571–1630) převzal zkoumání zákonů optiky ze své lunární eseje z roku 1600. Zatmění Měsíce i Slunce představovalo nevysvětlitelné jevy, jako jsou neočekávané velikosti stínů, červená barva úplného zatmění Měsíce a údajně neobvyklé světlo obklopující úplné zatmění Slunce. Související problémy lomu atmosféry aplikované na všechna astronomická pozorování. Po většinu roku 1603 Kepler pozastavil svou další práci, aby se zaměřil na optickou teorii; výsledný rukopis, předložený císaři 1. ledna 1604, byl publikován jako Astronomiae Pars Optica ( Optická část astronomie ). V něm Kepler popsal zákon inverzního čtverce, který řídí intenzitu světla, odraz plochými a zakřivenými zrcadly a principy dírkových kamer , jakož i astronomické důsledky optiky, jako je paralaxa a zdánlivé velikosti nebeských těles. Astronomiae Pars Optica je obecně uznávána jako základ moderní optiky (ačkoli zákon lomu nápadně chybí).

Willebrord Snellius ( 1580–1626 ) našel matematický zákon lomu , nyní známý jako Snellův zákon , v roce 1621. Následně René Descartes (1596–1650) ukázal pomocí geometrické konstrukce a lomu (také známý jako Descartův zákon) ), že úhlový poloměr duhy je 42 ° (tj. úhel svíraný okem hranou duhy a středem duhy je 42 °). Nezávisle také objevil zákon odrazu a jeho esej o optice byla první publikovanou zmínkou o tomto zákonu.

Christiaan Huygens (1629–1695) napsal několik prací z oblasti optiky. Patřily mezi ně Opera reliqua (také známá jako Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii toparchae, opuscula posthuma ) a Traité de la lumière .

Isaac Newton (1643–1727) zkoumal lom světla a demonstroval, že hranol může rozložit bílé světlo na spektrum barev a že čočka a druhý hranol mohou překomponovat vícebarevné spektrum do bílého světla. Ukázal také, že barevné světlo nemění své vlastnosti tím, že odděluje barevný paprsek a svítí na různé předměty. Newton poznamenal, že bez ohledu na to, zda byl odražen nebo rozptýlen nebo přenesen, zůstal ve stejné barvě. Poznamenal tedy, že barva je výsledkem interakce objektů s již barevným světlem spíše než objektů, které vytvářejí barvu samy. Toto je známé jako Newtonova teorie barev . Z této práce dospěl k závěru, že jakýkoli refrakční dalekohled bude trpět disperzí světla do barev, a vynalezl reflektující dalekohled (dnes známý jako newtonovský dalekohled ), který tento problém obejde. Broušením vlastních zrcadel a použitím Newtonových prstenů k posouzení kvality optiky svých teleskopů dokázal vyrobit vynikající nástroj k refrakčnímu dalekohledu, a to především díky širšímu průměru zrcadla. V roce 1671 Královská společnost požádala o předvedení jeho odrazného dalekohledu. Jejich zájem ho povzbudil k publikování jeho poznámek O barvě , které později rozšířil do svých Optiků . Newton tvrdil, že světlo se skládá z částic nebo tělísek a bylo lomeno zrychlením směrem k hustšímu médiu, ale musel je spojit s vlnami, aby vysvětlil difrakci světla ( Opticks Bk. II, Props . XII-L). Pozdější fyzikové místo difrakce upřednostňovali čistě vlnovité vysvětlení světla. Dnešní kvantová mechanika , fotony a myšlenka duality vlnových částic se jen málo podobají Newtonovu chápání světla.

Ve své hypotéze světla z roku 1675 Newton předpokládal existenci éteru k přenosu sil mezi částicemi. V roce 1704 vydal Newton Opticks , ve kterém vysvětlil svou korpuskulární teorii světla. Domníval se, že světlo je tvořeno extrémně jemnými tělísky, že obyčejná hmota je tvořena hrubšími tělísky, a spekuloval, že prostřednictvím jakési alchymické transmutace „Nejsou hrubá těla a světlo přeměnitelné na sebe, ... a těla nemusí dostávat mnoho jejich aktivity z částic světla, které vstupují do jejich složení? "

Difrakční optika

Thomas Youngův náčrt dvouštěrbinové difrakce, který v roce 1803 předložil Královské společnosti

Účinky difrakce světla byly pečlivě pozorovány a charakterizovány Francescem Mariem Grimaldi , který také vytvořil termín difrakce z latinského diffringere „rozbít na kusy“, odkazující na světlo rozpadající se do různých směrů. Výsledky Grimaldiho pozorování byly publikovány posmrtně v roce 1665. Isaac Newton tyto efekty studoval a připisoval je flexi světelných paprsků. James Gregory (1638–1675) pozoroval difrakční obrazce způsobené ptačím peřím, což byla ve skutečnosti první difrakční mřížka . V roce 1803 Thomas Young provedl svůj slavný experiment, při kterém pozoroval interferenci ze dvou těsně rozmístěných štěrbin svého interferometru s dvojitou štěrbinou . Při vysvětlování svých výsledků interferencí vln vycházejících ze dvou různých štěrbin usoudil, že světlo se musí šířit jako vlny. Augustin-Jean Fresnel provedl definitivnější studie a výpočty difrakce, publikované v letech 1815 a 1818, a tím poskytl velkou podporu vlnovou teorii světla, kterou vytvořil Christiaan Huygens a znovu oživil Young, proti Newtonově částicové teorii.

Výroba čoček a čoček

Existuje sporný archeologický důkaz o používání čoček ve starověku, který trvá několik tisíciletí. Bylo navrženo, že skleněné kryty očí v hieroglyfech ze Staré říše Egypta (c. 2686–2181 př. N. L.) Byly funkční jednoduché skleněné meniskusové čočky. Podobně takzvaná Nimrudova čočka , artefakt ze skalních krystalů datovaný do 7. století před naším letopočtem, mohla být použita jako lupa nebo mohla být ozdobou.

Nejstarší písemný záznam o zvětšení pochází z 1. století našeho letopočtu, kdy Seneca mladší , vychovatel císaře Nerona , napsal: „Písmena, jakkoli malá a nevýrazná, jsou vidět zvětšená a jasněji skrz glóbus nebo sklenici naplněnou vodou“ . Císař Nero také údajně sledoval gladiátorské hry s použitím smaragdu jako korekční čočky.

Ibn al-Haytham (Alhacen) psal o účincích dírkové , konkávní čočky a lupy ve své knize optiky z roku 1021 n . L. Anglické mnichy Rogera Bacona, písemné práce o optice z 60. nebo 12. let 20. století, částečně založené na dílech arabských spisovatelů, popsaly funkci korekčních čoček pro vidění a pálení brýlí. Tyto svazky byly obrysy větší publikace, která nikdy nebyla vytvořena, takže jeho myšlenky nikdy neviděly masové šíření.

Mezi 11. a 13. stoletím byly vynalezeny „ kameny na čtení “. Mniši je často používali k pomoci při osvětlování rukopisů. Jednalo se o primitivní plano-konvexní čočky původně vyrobené rozřezáním skleněné koule na polovinu. Jak se s kameny experimentovalo, pomalu se chápalo, že mělčí čočky zvětšují efektivněji. Kolem roku 1286, pravděpodobně v italské Pise, byly vyrobeny první brýle, i když není jasné, kdo byl vynálezcem.

Nejdříve známé pracovní teleskopy byly refrakční teleskopy, které se objevily v Nizozemsku v roce 1608. Jejich vynálezce není znám: Hans Lippershey v tom roce požádal o první patent, o dva týdny později následovala patentová přihláška Jacoba Metia z Alkmaaru (ani jeden nebyl udělen od příkladů zařízení se v té době zdálo být početné). Následující rok Galileo tyto návrhy výrazně vylepšil. Isaac Newton se zasloužil o konstrukci prvního funkčního odrazného dalekohledu v roce 1668, svého newtonovského reflektoru .

Nejstarší známé příklady složených mikroskopů, které kombinují objektiv v blízkosti vzorku s okulárem pro zobrazení skutečného obrazu , se objevily v Evropě kolem roku 1620. Konstrukce je velmi podobná dalekohledu a stejně jako toto zařízení není znám ani jeho vynálezce. Nároky se opět točí kolem středisek výroby brýlí v Nizozemsku, včetně tvrzení, že byl vynalezen v roce 1590 Zachariasem Janssenem a/nebo jeho otcem Hansem Martensem, tvrdí, že byl vynalezen konkurenčním výrobcem brýlí Hansem Lippersheyem a tvrdí, že byl vynalezen krajanem Cornelisem Drebbel, který byl známý mít verzi v Londýně v roce 1619. Galileo Galilei (také někdy citovaný jako vynálezce složeného mikroskopu) Zdá se, že po roce 1609 zjistil, že by mohl zblízka zaostřit svůj dalekohled na prohlížení malých předmětů a poté, co viděl sestrojený mikroskop od Drebbela vystaveného v Římě v roce 1624, postavil vlastní vylepšenou verzi. Název „mikroskop“ vytvořil Giovanni Faber , který dal toto jméno složenému mikroskopu Galilea Galileiho v roce 1625.

Kvantová optika

Světlo se skládá z částic nazývaných fotony, a proto je ze své podstaty kvantováno. Kvantová optika je studium povahy a účinků světla jako kvantovaných fotonů. První náznak, že by bylo možné kvantovat světlo, přišel od Maxe Plancka v roce 1899, když správně modeloval záření černého tělesa za předpokladu, že k výměně energie mezi světlem a hmotou došlo pouze v diskrétních množstvích, která nazýval kvantami. Nebylo známo, zda zdrojem této diskrétnosti byla hmota nebo světlo. V roce 1905 Albert Einstein publikoval teorii fotoelektrického jevu . Ukázalo se, že jediným možným vysvětlením účinku byla kvantizace světla samotného. Později Niels Bohr ukázal, že atomy mohou emitovat pouze diskrétní množství energie. Pochopení interakce mezi světlem a hmotou vyplývající z těchto vývojů nejenže tvořilo základ kvantové optiky, ale bylo také klíčové pro vývoj kvantové mechaniky jako celku. Podpole kvantové mechaniky zabývající se interakcí hmoty a světla však byly v zásadě považovány spíše za výzkum hmoty než světla, a proto se hovořilo spíše o fyzice atomů a kvantové elektronice .

To se změnilo s vynálezem maseru v roce 1953 a laseru v roce 1960. Laserová věda - výzkum principů, konstrukce a aplikace těchto zařízení - se stala důležitou oblastí a kvantová mechanika, která je základem principů laseru, byla nyní studována s větším důrazem na vlastnosti světla a název kvantová optika se stal obvyklým.

Protože laserová věda potřebovala dobré teoretické základy a také proto, že výzkum těchto zárodků se brzy ukázal jako velmi plodný, vzrostl zájem o kvantovou optiku. Následovat práci Dirac v kvantové teorii pole , George Sudarshan , Roy J. Glauber , a Leonard Mandel aplikovat kvantovou teorii k elektromagnetickému poli v roce 1950 a 1960, aby získali podrobnější znalosti o fotodetekčních a statistiky světla (viz stupeň soudržnost ). To vedlo k zavedení koherentního stavu jako kvantového popisu laserového světla a k poznání, že některé světelné stavy nelze popsat klasickými vlnami. V roce 1977 Kimble a kol. demonstroval první zdroj světla, který vyžadoval kvantový popis: jeden atom, který emitoval jeden foton najednou. Brzy byl navržen další kvantový stav světla s určitými výhodami oproti jakémukoli klasickému stavu, stlačené světlo . Vývoj krátkých a ultrakrátkých laserových impulsů-vytvořených technikami Q-přepínání a blokování režimů -zároveň otevřel cestu ke studiu nepředstavitelně rychlých („ ultrarychlých “) procesů. Byly nalezeny aplikace pro výzkum v pevné fázi (např. Ramanova spektroskopie ) a studovány mechanické síly světla na hmotu. Ta vedla k levitaci a polohování mraků atomů nebo dokonce malých biologických vzorků do optické pasti nebo optické pinzety pomocí laserového paprsku. To spolu s Dopplerovým chlazením bylo klíčovou technologií potřebnou k dosažení oslavované kondenzace Bose – Einstein .

Dalšími pozoruhodnými výsledky jsou demonstrace kvantového zapletení , kvantové teleportace a (nedávno, v roce 1995) kvantových logických bran . Ty jsou velmi zajímavé v kvantové teorii informací , předmětu, který částečně vyplynul z kvantové optiky, částečně z teoretické informatiky .

Mezi dnešní oblasti zájmu výzkumníků kvantové optiky patří parametrická down-konverze , parametrická oscilace , ještě kratší (attosekundové) světelné impulsy, využití kvantové optiky pro kvantové informace , manipulace s jednotlivými atomy a Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty , jejich aplikace a způsob manipulace je (dílčí pole často nazývané atomová optika ).

Viz také

Poznámky

Reference