Geschichte der Optik - History of optics

Die Optik begann mit der Entwicklung von Linsen durch die alten Ägypter und Mesopotamier , gefolgt von Theorien über Licht und Sehen, die von antiken griechischen Philosophen entwickelt wurden , und der Entwicklung der geometrischen Optik in der griechisch-römischen Welt . Das Wort Optik leitet sich vom griechischen Begriff τα ὀπτικά ab und bedeutet „Aussehen, Aussehen“. Die Optik wurde durch die Entwicklungen in der mittelalterlichen islamischen Welt , wie die Anfänge der physikalischen und physiologischen Optik,erheblich reformiertund dann im frühneuzeitlichen Europa , wo die diffraktive Optik begann,erheblich weiterentwickelt. Diese früheren Studien zur Optik werden heute als "klassische Optik" bezeichnet. Der Begriff „moderne Optik“ bezieht sich auf Bereiche der optischen Forschungdiegrößten Teil im 20. Jahrhundert entwickelt, wie Wellenoptik und Quantenoptik .

Frühe Geschichte

Im alten Indien entwickelten die philosophischen Schulen von Samkhya und Vaisheshika um das 6. bis 5. Jahrhundert v. Chr. Theorien über das Licht. Nach der Samkhya-Schule ist Licht eines der fünf fundamentalen „subtilen“ Elemente ( Tanmatra ), aus denen die grobstofflichen Elemente hervorgehen.

Im Gegensatz dazu gibt die Vaisheshika-Schule eine atomare Theorie der physikalischen Welt auf dem nicht-atomaren Grund von Äther , Raum und Zeit. (Siehe Indischer Atomismus .) Die grundlegenden Atome sind die der Erde ( prthivı ), des Wassers ( apas ), des Feuers ( tejas ) und der Luft ( vayu ), die nicht mit der gewöhnlichen Bedeutung dieser Begriffe verwechselt werden sollten. Diese Atome werden zu binären Molekülen verarbeitet, die sich weiter zu größeren Molekülen verbinden. Bewegung wird durch die Bewegung der physikalischen Atome definiert. Lichtstrahlen werden als Strom von Tejas (Feuer) -Atomen mit hoher Geschwindigkeit angesehen . Die Lichtteilchen können je nach Geschwindigkeit und Anordnung der Tejas- Atome unterschiedliche Eigenschaften aufweisen . Um das erste Jahrhundert v. Chr. bezeichnet die Vishnu Purana das Sonnenlicht als "die sieben Strahlen der Sonne".

Im fünften Jahrhundert v. Chr. postulierte Empedokles , dass alles aus vier Elementen zusammengesetzt sei ; Feuer, Luft, Erde und Wasser. Er glaubte, dass Aphrodite das menschliche Auge aus den vier Elementen machte und dass sie das Feuer im Auge entzündete, das aus dem Auge strahlte und das Sehen ermöglichte. Wäre dies wahr, dann könnte man bei Nacht genauso gut sehen wie bei Tag, also postulierte Empedokles eine Wechselwirkung zwischen Strahlen der Augen und Strahlen einer Quelle wie der Sonne. Er stellte fest, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat.

Auch im alten China wurden beachtliche Entwicklungen in der Optik erzielt.

In seiner Optik bemerkte der griechische Mathematiker Euklid , dass "Dinge, die unter einem größeren Winkel gesehen werden, größer erscheinen, und die unter einem kleineren Winkel weniger, während diejenigen unter einem gleichen Winkel gleich erscheinen". In den folgenden 36 Sätzen setzt Euklid die scheinbare Größe eines Objekts mit seiner Entfernung vom Auge in Beziehung und untersucht die scheinbaren Formen von Zylindern und Kegeln aus verschiedenen Blickwinkeln. Pappus hielt diese Ergebnisse für wichtig für die Astronomie und nahm Euklids Optik zusammen mit seinen Phaenomena in die Kleine Astronomie auf , ein Kompendium kleinerer Werke, die vor der Syntaxis ( Almagest ) des Ptolemäus studiert werden sollten .

Lucretius , ein römischer Atomist , schrieb 55 v. Chr .:

Denn aus welcher Entfernung auch immer Feuer uns ihr Licht werfen und ihre warme Hitze auf unsere Glieder hauchen können, sie verlieren durch die Zwischenräume nichts von ihrem Flammenkörper, ihr Feuer ist nicht auf den Anblick geschrumpft.

In seiner Catoptrica zeigte Hero of Alexandria mit einer geometrischen Methode, dass der tatsächliche Weg eines von einem ebenen Spiegel reflektierten Lichtstrahls kürzer ist als jeder andere reflektierte Weg, der zwischen der Quelle und dem Beobachtungspunkt gezogen werden könnte.

Im zweiten Jahrhundert unternahm Claudius Ptolemäus in seiner Optik Studien der Reflexion und Brechung . Er maß die Brechungswinkel zwischen Luft, Wasser und Glas, und seine veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass er seine Messungen an seine (falsche) Annahme angepasst hat, dass der Brechungswinkel proportional zum Einfallswinkel ist .

Die indischen Buddhisten , wie Dignāga im 5. Jahrhundert und Dharmakirti im 7. Jahrhundert, entwickelten eine Art von Atomismus , der eine Philosophie darüber ist, dass die Realität aus atomaren Einheiten besteht, die momentane Licht- oder Energieblitze sind. Sie betrachteten Licht als eine atomare Einheit, die der Energie entspricht, ähnlich dem modernen Konzept der Photonen , obwohl sie auch alle Materie als aus diesen Licht- / Energieteilchen zusammengesetzt ansahen.

Geometrische Optik

Die hier besprochenen frühen Autoren behandelten das Sehen mehr als ein geometrisches denn als ein physikalisches, physiologisches oder psychologisches Problem. Der erste bekannte Autor einer Abhandlung über geometrische Optik war der Geometer Euklid (ca. 325 v. Chr.–265 v. Chr.). Euklid begann sein Studium der Optik, wie er sein Studium der Geometrie begann, mit einer Reihe von selbstverständlichen Axiomen.

  1. Linien (oder visuelle Strahlen) können in einer geraden Linie zum Objekt gezogen werden.
  2. Diese Linien, die auf ein Objekt fallen, bilden einen Kegel.
  3. Die Dinge, auf die die Linien fallen, werden gesehen.
  4. Die Dinge, die unter einem größeren Winkel gesehen werden, erscheinen größer.
  5. Diese Dinge, die von einem höheren Strahl gesehen werden, erscheinen höher.
  6. Rechte und linke Strahlen erscheinen rechts und links.
  7. Dinge, die aus mehreren Blickwinkeln gesehen werden, erscheinen klarer.

Euklid definierte nicht die physikalische Natur dieser visuellen Strahlen, sondern diskutierte anhand der Prinzipien der Geometrie die Auswirkungen der Perspektive und die Rundung von Dingen, die aus der Ferne gesehen werden.

Wo Euklid seine Analyse auf einfaches direktes Sehen beschränkt hatte, erweiterte Hero of Alexandria (ca. 10–70 n. Chr.) die Prinzipien der geometrischen Optik um Reflexionsprobleme (Katoptrie). Im Gegensatz zu Euklid kommentierte Hero gelegentlich die physikalische Natur der visuellen Strahlen und deutete an, dass sie mit großer Geschwindigkeit vom Auge zum gesehenen Objekt wandern und von glatten Oberflächen reflektiert werden, aber in den Porositäten unpolierter Oberflächen gefangen werden können. Dies ist als Emissionstheorie bekannt geworden .

Hero demonstrierte die Gleichheit von Einfalls- und Reflexionswinkel mit der Begründung, dass dies der kürzeste Weg vom Objekt zum Beobachter ist. Auf dieser Grundlage konnte er die feste Beziehung zwischen einem Objekt und seinem Bild in einem Planspiegel definieren. Insbesondere scheint das Bild so weit hinter dem Spiegel zu liegen, wie sich das Objekt tatsächlich vor dem Spiegel befindet.

Wie Hero betrachtete Ptolemäus in seiner Optik (die nur in Form einer lateinischen Übersetzung einer schwer fehlerhaften arabischen Version erhalten ist) die Sehstrahlen als vom Auge zum gesehenen Objekt verlaufend, aber im Gegensatz zu Hero war dies der Ansicht, dass die Sehstrahlen nicht diskrete Linien, bildeten aber einen durchgehenden Kegel. Ptolemäus erweiterte das Studium des Sehens über das direkte und reflektierte Sehen hinaus; er untersuchte auch das Sehen durch gebrochene Strahlen (Dioptrie), wenn wir Objekte durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher Dichte sehen. Er führte Experimente durch, um den Sehweg zu messen, wenn wir von Luft zu Wasser, von Luft zu Glas und von Wasser zu Glas blicken, und stellte die Beziehung zwischen einfallenden und gebrochenen Strahlen fest.

Seine tabellarischen Ergebnisse wurden für die Luft-Wasser-Grenzfläche untersucht, und im Allgemeinen spiegeln die von ihm erhaltenen Werte die theoretische Refraktion der modernen Theorie wider, aber die Ausreißer sind verzerrt, um Ptolemäus a priori Modell der Natur der Refraktion darzustellen .

In der islamischen Welt

Reproduktion einer Seite von Ibn Sahls Manuskript, die seine Entdeckung des Brechungsgesetzes zeigt, das heute als Snellsches Gesetz bekannt ist .

Al-Kindi (ca. 801–873) war einer der frühesten bedeutenden optischen Schriftsteller in der islamischen Welt . In einem im Westen als De radiis stellarum bekannten Werk entwickelte al-Kindi eine Theorie, "dass alles in der Welt ... Strahlen in alle Richtungen aussendet, die die ganze Welt erfüllen".

Diese Theorie der aktiven Kraft der Strahlen hatte einen Einfluss auf spätere Gelehrte wie Ibn al-Haytham , Robert Grosseteste und Roger Bacon .

Ibn Sahl , ein in den 980er Jahren in Bagdad tätiger Mathematiker, ist der erste islamische Gelehrte, der einen Kommentar zur Optik des Ptolemäus verfasst hat . Seine Abhandlung Fī al-'āla al-muḥriqa "Über die brennenden Instrumente" wurde von Rashed (1993) aus fragmentarischen Manuskripten rekonstruiert. Die Arbeit beschäftigt sich damit, wie gekrümmte Spiegel und Linsen das Licht biegen und fokussieren. Ibn Sahl beschreibt auch ein Brechungsgesetz, das dem Snellschen Gesetz mathematisch äquivalent ist . Er nutzte sein Brechungsgesetz, um die Formen von Linsen und Spiegeln zu berechnen, die das Licht auf einen einzigen Punkt auf der Achse fokussieren.

Alhazen (Ibn al-Haytham), „der Vater der Optik“

Ibn al-Haytham ( in Westeuropa als Alhacen oder Alhazen bekannt), der in den 1010er Jahren schrieb, erhielt sowohl die Abhandlung von Ibn Sahl als auch eine teilweise arabische Übersetzung von Ptolemaios Optik . Er erstellte eine umfassende und systematische Analyse der griechischen optischen Theorien. Ibn al-Haythams wichtigste Errungenschaft war zweierlei: erstens, entgegen der Meinung des Ptolemaios darauf zu bestehen, dass das Sehen durch Strahlen in das Auge zustande kam; die zweite bestand darin, die physikalische Natur der Strahlen zu definieren, die von früheren geometrisch-optischen Autoren diskutiert wurden, indem sie sie als Formen von Licht und Farbe betrachteten. Anschließend analysierte er diese physikalischen Strahlen nach den Prinzipien der geometrischen Optik. Er schrieb viele Bücher über Optik, vor allem das Buch der Optik ( Kitab al Manazir auf Arabisch ), das ins Lateinische als De aspektibus oder Perspectiva übersetzt wurde , das seine Ideen nach Westeuropa verbreitete und großen Einfluss auf die späteren Entwicklungen der Optik hatte. Ibn al-Haytham wurde als „Vater der modernen Optik“ bezeichnet.

Avicenna (980-1037) stimmte Alhazen zu, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, da er "beobachtete, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich sein muss, wenn die Wahrnehmung von Licht auf die Emission irgendeiner Art von Teilchen durch eine Lichtquelle zurückzuführen ist. " Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) stimmte auch zu, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat und stellte fest, dass die Lichtgeschwindigkeit viel schneller ist als die Schallgeschwindigkeit .

Abu ‚Abd Allah Muhammad ibn Ma'udh , der lebte Al-Andalus in der zweiten Hälfte des 11. Jahrhunderts, schrieb ein Werk über die Optik später ins Lateinische übersetzt als Liber de crepisculis , die irrtümlich zugeschrieben Alhazen . Es handelte sich um eine "Kurzarbeit, die eine Abschätzung des Neigungswinkels der Sonne zu Beginn der Morgendämmerung und am Ende der Abenddämmerung enthielt und den Versuch, auf der Grundlage dieser und anderer Daten die Höhe des Luftfeuchtigkeit, die für die Brechung der Sonnenstrahlen verantwortlich ist." Durch seine Versuche erhielt er den Wert von 18°, der dem modernen Wert nahe kommt.

Im späten 13. und frühen 14. Jahrhundert setzten Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311) und sein Schüler Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1260–1320) das Werk von Ibn al-Haytham fort und gehörten zu den zuerst die richtigen Erklärungen für das Regenbogenphänomen geben . Al-Fārisī veröffentlichte seine Erkenntnisse in seinem Kitab Tanqih al-Manazir ( The Revision of [Ibn al-Haythams] Optics ).

Im mittelalterlichen Europa

Der englische Bischof Robert Grosseteste (ca. 1175–1253) schrieb zur Zeit der Entstehung der mittelalterlichen Universität und der Wiedergewinnung der Werke des Aristoteles über ein breites Spektrum wissenschaftlicher Themen . Grosseteste reflektierte eine Übergangszeit zwischen dem Platonismus der frühmittelalterlichen Gelehrsamkeit und dem neuen Aristotelismus , daher neigte er dazu, in vielen seiner Schriften Mathematik und die platonische Metapher des Lichts anzuwenden. Ihm wurde zugeschrieben, Licht aus vier verschiedenen Perspektiven zu diskutieren: eine Epistemologie des Lichts, eine Metaphysik oder Kosmogonie des Lichts, eine Ätiologie oder Physik des Lichts und eine Theologie des Lichts.

Abgesehen von den Fragen der Erkenntnistheorie und Theologie beschreibt Grossetestes Kosmogonie des Lichts den Ursprung des Universums in einer mittelalterlichen "Urknall"-Theorie. Sowohl sein biblischer Kommentar, das Hexaemeron (1230 x 35) als auch sein wissenschaftlicher Über das Licht (1235 x 40), ließen sich von Genesis 1:3 inspirieren , "Gott sagte, es werde Licht" und beschrieb den nachfolgenden Schöpfungsprozess als natürlicher physikalischer Prozess, der aus der generativen Kraft einer sich ausdehnenden (und zusammenziehenden) Lichtkugel entsteht.

Optisches Diagramm, das Licht zeigt, das von einem mit Wasser gefüllten kugelförmigen Glasbehälter gebrochen wird. (von Roger Bacon, De multiplicatione specierum )

Seine allgemeinere Betrachtung des Lichts als primäres Agens der physikalischen Kausalität erscheint in seinen On Lines, Angles, and Figures, wo er behauptet, dass "ein natürliches Agens seine Kraft von sich selbst zum Empfänger propagiert" und in On the Nature of Places, wo er feststellt: dass "jede natürliche Handlung durch Variation von Linien, Winkeln und Figuren in Stärke und Schwäche variiert."

Der englische Franziskaner , Roger Bacon (c. 1214-1294) wurde von Grosse Schriften über die Bedeutung des Lichts stark beeinflusst. In seinen optischen Schriften ( Perspectiva , De multiplicatione specierum und De speculis comburentibus ) zitierte er eine breite Palette kürzlich übersetzter optischer und philosophischer Werke, darunter die von Alhacen , Aristoteles , Avicenna , Averroes , Euklid , al-Kindi , Ptolemäus , Tideus und Konstantin der Afrikaner . Obwohl er kein sklavischer Nachahmer war, bezog er seine mathematische Analyse von Licht und Vision aus den Schriften des arabischen Schriftstellers Alhacen. Aber er fügte dem neuplatonischen Konzept hinzu, das vielleicht von Grosseteste stammte, dass jedes Objekt eine Kraft ( Art ) ausstrahlt, durch die es auf nahe gelegene Objekte einwirkt, die geeignet sind, diese Arten aufzunehmen . Beachten Sie, dass Bacons optische Verwendung des Begriffs „ Art “ sich erheblich von den Gattungs-/ Artkategorien unterscheidet, die in der aristotelischen Philosophie gefunden werden.

Mehrere spätere Werke, darunter das einflussreiche A Moral Treatise on the Eye (lateinisch: Tractatus Moralis de Oculo ) von Peter von Limoges (1240–1306), trugen dazu bei, die in Bacons Schriften gefundenen Ideen zu popularisieren und zu verbreiten.

Ein anderer englischer Franziskaner Johannes Peckham (gestorben 1292) über die Arbeit von Speck gebaut, Grosseteste, und ein breites Spektrum von früheren Autoren zu produzieren , was die am weitesten verbreitete Lehrbuch über Optik des Mittelalters wurde die Perspectiva communis . Sein Buch konzentrierte sich auf die Frage des Sehens, wie wir sehen, und nicht auf die Natur von Licht und Farbe. Pecham folgte dem von Alhacen aufgestellten Modell, interpretierte jedoch Alhacens Ideen in der Weise von Roger Bacon.

Wie seine Vorgänger schöpfte Witelo (geboren um 1230, gestorben zwischen 1280 und 1314) aus dem umfangreichen Bestand an optischen Werken, die kürzlich aus dem Griechischen und Arabischen übersetzt wurden, um eine umfangreiche Präsentation des Themas mit dem Titel Perspectiva zu erstellen . Seine Visionstheorie folgt Alhacen und er berücksichtigt nicht Bacons Konzept der Spezies , obwohl Passagen in seinem Werk zeigen, dass er von Bacons Ideen beeinflusst wurde. Nach der Zahl der erhaltenen Manuskripte zu urteilen, war sein Werk nicht so einflussreich wie das von Pecham und Bacon, dennoch wuchs seine Bedeutung und die von Pecham mit der Erfindung des Buchdrucks.

Theoderich von Freiberg (ca. 1250–ca. 1310) gehörte zu den ersten in Europa, die das Regenbogenphänomen wissenschaftlich richtig erklärten, ebenso wie Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311) und sein Schüler Kamāl al- Dīn al-Fārisī (1260–1320) oben erwähnt.

Renaissance und Frühe Moderne

Johannes Kepler (1571–1630) griff die Untersuchung der Gesetze der Optik aus seinem Mondaufsatz von 1600 auf. Sowohl Mond- als auch Sonnenfinsternisse zeigten ungeklärte Phänomene, wie unerwartete Schattengrößen, die rote Farbe einer totalen Mondfinsternis und die angeblich ungewöhnliches Licht, das eine totale Sonnenfinsternis umgibt. Verwandte Themen der atmosphärischen Brechung, die auf alle astronomischen Beobachtungen angewendet werden. Den größten Teil des Jahres 1603 unterbrach Kepler seine anderen Arbeiten, um sich auf die optische Theorie zu konzentrieren; das resultierende Manuskript, das dem Kaiser am 1. Januar 1604 vorgelegt wurde, wurde als Astronomiae Pars Optica ( Der optische Teil der Astronomie ) veröffentlicht. Darin beschrieb Kepler das inverse-quadratische Gesetz, das die Lichtintensität, die Reflexion durch flache und gekrümmte Spiegel und die Prinzipien von Lochkameras regelt , sowie die astronomischen Auswirkungen der Optik wie Parallaxe und die scheinbare Größe von Himmelskörpern. Astronomiae Pars Optica wird allgemein als die Grundlage der modernen Optik angesehen (obwohl das Brechungsgesetz auffällig fehlt).

Willebrord Snellius (1580-1626) fand 1621 das mathematische Brechungsgesetz , das heute als Snell-Gesetz bekannt ist. Anschließend zeigte René Descartes (1596-1650) anhand der geometrischen Konstruktion und des Brechungsgesetzes (auch als Descartes-Gesetz bekannt) ), dass der Winkelradius eines Regenbogens 42° beträgt (dh der Winkel, den der Rand des Regenbogens und das Zentrum des Regenbogens am Auge einschließen, beträgt 42°). Er entdeckte auch unabhängig das Reflexionsgesetz , und sein Aufsatz über die Optik war die erste veröffentlichte Erwähnung dieses Gesetzes.

Christiaan Huygens (1629–1695) schrieb mehrere Werke auf dem Gebiet der Optik. Dazu gehörten die Opera reliqua (auch bekannt als Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii toparchae, opuscula posthuma ) und die Traité de la lumière .

Isaac Newton (1643–1727) untersuchte die Lichtbrechung und zeigte, dass ein Prisma weißes Licht in ein Farbspektrum zerlegen kann und dass eine Linse und ein zweites Prisma das mehrfarbige Spektrum in weißes Licht zerlegen können. Er zeigte auch, dass das farbige Licht seine Eigenschaften nicht verändert, indem es einen farbigen Strahl abtrennt und auf verschiedene Objekte strahlt. Newton stellte fest, dass unabhängig davon, ob es reflektiert, gestreut oder durchgelassen wurde, die Farbe dieselbe blieb. So stellte er fest, dass Farbe eher das Ergebnis von Objekten ist, die mit bereits farbigem Licht interagieren, als dass Objekte die Farbe selbst erzeugen. Dies ist als Newtonsche Farbtheorie bekannt . Aus dieser Arbeit schloss er, dass jedes brechende Teleskop unter der Zerstreuung von Licht in Farben leiden würde , und erfand ein reflektierendes Teleskop (heute als Newton-Teleskop bekannt ), um dieses Problem zu umgehen. Durch das Schleifen seiner eigenen Spiegel und die Verwendung von Newtons Ringen, um die Qualität der Optik für seine Teleskope zu beurteilen, war er in der Lage, ein dem refraktiven Teleskop überlegenes Instrument zu produzieren, vor allem aufgrund des größeren Durchmessers des Spiegels. 1671 bat die Royal Society um eine Vorführung seines Spiegelteleskops. Ihr Interesse ermutigte ihn, seine Notizen über Farbe zu veröffentlichen , die er später zu seinen Opticks erweiterte . Newton argumentierte, dass Licht aus Teilchen oder Korpuskeln besteht und durch Beschleunigung in Richtung des dichteren Mediums gebrochen wird, aber er musste sie mit Wellen in Verbindung bringen, um die Lichtbeugung zu erklären ( Opticks Bk. II, Props. XII-L). Spätere Physiker bevorzugten stattdessen eine rein wellenförmige Erklärung des Lichts, um die Beugung zu erklären. Die heutige Quantenmechanik , Photonen und die Idee des Welle-Teilchen-Dualismus haben nur eine geringe Ähnlichkeit mit Newtons Lichtverständnis.

In seiner Hypothese des Lichts von 1675 postulierte Newton die Existenz des Äthers, um Kräfte zwischen Teilchen zu übertragen. 1704 veröffentlichte Newton Opticks , in dem er seine Korpuskulartheorie des Lichts darlegte. Er betrachtete Licht als aus extrem feinstofflichen Körpern zusammengesetzt, dass gewöhnliche Materie aus groberen Körpern besteht und spekulierte, dass durch eine Art alchemistische Transmutation "Sind grobe Körper und Licht nicht ineinander umwandelbar sind, ... und können Körper nicht viel empfangen" ihrer Aktivität aus den Lichtteilchen, die in ihre Zusammensetzung eingehen?"

Beugende Optik

Thomas Youngs Skizze der Zweispaltbeugung, die er 1803 der Royal Society vorlegte

Die Auswirkungen der Lichtbeugung wurden von Francesco Maria Grimaldi sorgfältig beobachtet und charakterisiert , der auch den Begriff Beugung prägte , vom lateinischen diffringere , „in Stücke brechen“, was sich auf das Aufbrechen des Lichts in verschiedene Richtungen bezieht. Die Ergebnisse von Grimaldis Beobachtungen wurden 1665 posthum veröffentlicht. Isaac Newton untersuchte diese Effekte und führte sie auf die Beugung von Lichtstrahlen zurück. James Gregory (1638–1675) beobachtete die Beugungsmuster einer Vogelfeder, die effektiv das erste Beugungsgitter war . Im Jahr 1803 führte Thomas Young sein berühmtes Experiment durch, bei dem er die Interferenz von zwei eng beieinander liegenden Spalten in seinem Doppelspaltinterferometer beobachtete . Er erklärte seine Ergebnisse durch die Interferenz der Wellen, die von den beiden unterschiedlichen Schlitzen ausgehen, und folgerte, dass sich Licht als Wellen ausbreiten muss. Augustin-Jean Fresnel führte genauere Studien und Berechnungen der Beugung durch, die 1815 und 1818 veröffentlicht wurden, und gab damit der Wellentheorie des Lichts, die von Christiaan Huygens entwickelt und von Young gegen Newtons Teilchentheorie wiederbelebt worden war, große Unterstützung .

Linsen und Linsenherstellung

Es gibt umstrittene archäologische Beweise für die Verwendung von Linsen in der Antike, die mehrere Jahrtausende umfassen. Es wurde vermutet, dass Glasaugendeckel in Hieroglyphen aus dem Alten Reich Ägyptens (ca. 2686–2181 v. Chr.) funktionelle einfache Glasmeniskuslinsen waren. Ebenso kann die sogenannte Nimrud-Linse , ein Bergkristall-Artefakt aus dem 7. Jahrhundert v. Chr., als Lupe oder Dekoration verwendet worden sein.

Die früheste schriftliche Erwähnung der Vergrößerung stammt aus dem 1. Jahrhundert nach Christus, als Seneca der Jüngeren , ein Lehrer von Kaiser Nero , schrieb: „Letters, so klein und undeutlich wird vergrößert und mehr durch eine Kugel oder mit Wasser gefülltes Glas deutlich zu sehen“ . Kaiser Nero soll auch die Gladiatorenspiele mit einem Smaragd als Korrekturlinse beobachtet haben.

Ibn al-Haytham (Alhacen) schrieb in seinem 1021 n . Chr. erschienenen Buch der Optik über die Auswirkungen von Lochblenden , konkaven Linsen und Lupen . Die 1260er oder 1270er Jahre geschriebenen Werke des englischen Mönchs Roger Bacon zur Optik, die teilweise auf den Werken arabischer Schriftsteller basieren, beschrieb die Funktion von Korrekturgläsern für das Sehen und Brennen von Gläsern. Diese Bände waren Entwürfe für eine größere Veröffentlichung, die nie produziert wurde, so dass seine Ideen nie massenhaft verbreitet wurden.

Zwischen dem 11. und 13. Jahrhundert wurden „ Lesesteine “ erfunden. Oft von Mönchen verwendet , um bei der Beleuchtung von Manuskripten zu helfen , waren dies primitive plankonvexe Linsen, die ursprünglich durch Halbieren einer Glaskugel hergestellt wurden. Als mit den Steinen experimentiert wurde, wurde langsam klar, dass flachere Linsen effektiver vergrößerten . Um 1286, möglicherweise in Pisa, Italien, wurde die erste Brille hergestellt, obwohl unklar ist, wer der Erfinder war.

Die frühesten bekannten funktionierenden Teleskope waren die refraktiven Teleskope , die 1608 in den Niederlanden erschienen . Ihr Erfinder ist unbekannt: Hans Lippershey meldete in diesem Jahr das erste Patent an, gefolgt von einer Patentanmeldung von Jacob Metius aus Alkmaar zwei Wochen später (keineres wurde seit Beispielen erteilt des Geräts schien damals zahlreich zu sein). Galileo verbesserte diese Designs im folgenden Jahr erheblich. Isaac Newton wird zugeschrieben, 1668 das erste funktionsfähige Spiegelteleskop gebaut zu haben, seinen Newton-Reflektor .

Die frühesten bekannten Beispiele für zusammengesetzte Mikroskope, die eine Objektivlinse in der Nähe der Probe mit einem Okular kombinieren , um ein echtes Bild zu betrachten , erschienen um 1620 in Europa. Die Konstruktion ist dem Teleskop sehr ähnlich und ihr Erfinder ist wie bei diesem Gerät unbekannt. Wiederum drehen sich die Behauptungen um die Brillenherstellungszentren in den Niederlanden, einschließlich der Behauptung, dass sie 1590 von Zacharias Janssen und / oder seinem Vater Hans Martens erfunden wurde, behauptet, sie sei vom rivalisierenden Brillenmacher Hans Lippershey erfunden worden und behauptet, sie sei von dem im Ausland lebenden Cornelis erfunden worden Drebbel, der 1619 in London eine Version hatte. Galileo Galilei (auch manchmal als Erfinder von zusammengesetzten Mikroskopen zitiert) scheint nach 1609 herausgefunden zu haben, dass er sein Teleskop schließen konnte, um kleine Objekte zu betrachten, und nachdem er ein zusammengesetztes Mikroskop gebaut hatte von Drebbel 1624 in Rom ausgestellt, baute seine eigene verbesserte Version. Der Name "Mikroskop" wurde von Giovanni Faber geprägt , der 1625 dem zusammengesetzten Mikroskop von Galileo Galilei diesen Namen gab .

Quantenoptik

Licht besteht aus Teilchen, die Photonen genannt werden, und ist daher von Natur aus quantisiert. Quantenoptik beschäftigt sich mit der Natur und Wirkung von Licht als quantisierte Photonen. Der erste Hinweis darauf, dass Licht quantisiert werden könnte, kam von Max Planck im Jahr 1899, als er die Schwarzkörperstrahlung richtig modellierte , indem er annahm, dass der Energieaustausch zwischen Licht und Materie nur in diskreten Mengen stattfand, die er Quanten nannte. Es war unbekannt, ob die Quelle dieser Diskretion die Materie oder das Licht war. 1905 veröffentlichte Albert Einstein die Theorie des photoelektrischen Effekts . Es schien, dass die einzige mögliche Erklärung für den Effekt die Quantisierung des Lichts selbst war. Später zeigte Niels Bohr , dass Atome nur diskrete Energiemengen abgeben können. Das aus diesen Entwicklungen resultierende Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie bildete nicht nur die Grundlage der Quantenoptik, sondern war auch für die Entwicklung der Quantenmechanik insgesamt entscheidend. Die Teilgebiete der Quantenmechanik, die sich mit der Materie-Licht-Wechselwirkung befassen, wurden jedoch hauptsächlich als Erforschung der Materie und nicht als Licht betrachtet und man sprach daher eher von Atomphysik und Quantenelektronik .

Dieser mit der Erfindung des geändertene Maser 1953 und dem Laser 1960 Laser Wissenschaft -Forschung in Prinzipien, Design und Anwendung dieser Geräte-wurde ein wichtiger Bereich, und die Quantenmechanik des Lasers zugrunde liegenden Prinzipien nun mit mehr Nachdruck untersucht auf die Eigenschaften des Lichts, und der Name Quantenoptik wurde gebräuchlich.

Da die Laserwissenschaft gute theoretische Grundlagen brauchte und auch weil sich die Erforschung dieser bald als sehr fruchtbar erwies, stieg das Interesse an der Quantenoptik. Im Anschluss an die Arbeiten von Dirac in Quantenfeldtheorie , George Sudarshan , Roy J. Glauber und Leonard Mandel angewendet Quantentheorie auf das elektromagnetische Feld in den 1950er und 1960er Jahren ein detaillierteres Verständnis der Photodetektions und die zu gewinnen Statistiken von Licht (siehe Grad Kohärenz ). Dies führte zur Einführung des kohärenten Zustands als Quantenbeschreibung von Laserlicht und der Erkenntnis, dass einige Lichtzustände mit klassischen Wellen nicht beschrieben werden können. 1977 haben Kimble et al. demonstrierten die erste Lichtquelle, die eine Quantenbeschreibung erforderte: ein einzelnes Atom, das jeweils ein Photon emittiert. Ein weiterer Quantenzustand des Lichts mit gewissen Vorteilen gegenüber jedem klassischen Zustand, das gequetschte Licht , wurde bald vorgeschlagen. Gleichzeitig ebnete die Entwicklung von kurzen und ultrakurzen Laserpulsen – erzeugt durch Q-Switching- und Moden-Locking- Techniken – den Weg zur Erforschung unvorstellbar schneller (" ultraschneller ") Prozesse. Anwendungen für die Festkörperforschung (zB Raman-Spektroskopie ) wurden gefunden und mechanische Lichtkräfte auf Materie untersucht. Letzteres führte zum Schweben und Positionieren von Atomwolken oder sogar kleinen biologischen Proben in einer optischen Falle oder einer optischen Pinzette per Laserstrahl. Dies war zusammen mit der Doppler-Kühlung die entscheidende Technologie, die benötigt wurde, um die berühmte Bose-Einstein-Kondensation zu erreichen .

Andere bemerkenswerte Ergebnisse sind die Demonstration der Quantenverschränkung , der Quantenteleportation und (vor kurzem im Jahr 1995) der Quantenlogikgatter . Letztere sind von großem Interesse für die Quanteninformationstheorie , ein Thema, das teils aus der Quantenoptik, teils aus der theoretischen Informatik hervorgegangen ist .

Zu den heutigen Interessengebieten der Quantenoptik-Forscher gehören parametrische Abwärtskonvertierung , parametrische Oszillation , noch kürzere (Attosekunden-)Lichtpulse, die Verwendung der Quantenoptik für Quanteninformationen , die Manipulation einzelner Atome und Bose-Einstein-Kondensate , ihre Anwendung und ihre Manipulation sie (ein Unterfeld, das oft als Atomoptik bezeichnet wird ).

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise