Օպտիկա

Օպտիկան ֆիզիկայի բաժին է, որն ուսումնասիրում է լույսի բնույթը, առաքման և կլանման օրենքները, տարածումը տարբեր միջավայրերում, ինչպես նաև նյութի հետ լույսի փոխազդեցության ժամանակ առաջացող երևույթները։ Օպտիկական երևույթները մարդկությանը հետաքրքրել են շատ վաղուց, սակայն օպտիկայի տեսության սկիզբը պետք է համարել 17-րդ դարը։

Օպտիկայի զարգացումը պատմականորեն կարելի է բաժանել հետևյալ փուլերի՝ Նյուտոնի, Հյուգենսի ժամանակներից մինչև 19-րդ դարի սկիզբը՝ ալիքային և մասնիկային պատկերացումների վրա հիմնված, միմյանց բացառող տեսությունների բուռն պայքարի դարաշրջանը, որն ավարտվեց ալիքային տեսության հաղթանակով։ Երկրորդ փուլը Ֆրենելի, Յունգի ժամանակներից մինչև լուսային մասնիկների՝ քվանտների գաղափարի հաստատման և նրանց տեսության զարգացման դարաշրջանն է, իսկ երրորդը արդի փուլն է, որը կապված է հատկապես օպտիկական քվանտային գեներատորների հայտնագործման հետ։ Սկզբնական շրջանում օպտիկան սահմանափակվում էր էլէկտրամագնիսական ալիքների սպեկտորի տեսանելի մասով։ Ժամանակակից օպտիկան ուսումնասիրում է էլեկտրամագնիսական ալիքների սպեկտորի ինչպես տեսանելի, այնպես էլ նրան հարող ուլտրամանուշակագույն և ինֆրակարմիր տիրույթները։ Օպտիկական երևույթների մի մեծ խումբ կարելի է քննարկել առանց լույսի ալիքային բնույթը հաշվի առնելու, ընդունելով, որ լուսային էներգիան փոխանցվում է ճառագայթի երկայնքով։ Այս պատկերացումը և լույսի անդրադարձման ու բեկման օրենքները միասին կազմում են երկրաչափական օպտիկայի հիմքը։ Օպտիկայի զարգացման հենց սկզբնական շրջանում փորձով հաստատված են եղել օպտիկական երևույթների հետևյալ չորս հիմնական օրենքները՝

Լույսի ուղղագիծ տարածման օրենքը

Համասեռ միջավայրում լույսը տարածվում է ուղիղ գծերով։ Այս օրենքը հանդիպում է Էվկլիդեսին վերագրվող մի երկում (300 տարի մեր թվարկությունից առաջ) և, հավանական է, որ այն հայտնի էր և կիրառվում էր շատ ավելի առաջ։ Այս օրենքի փորձնական ապացույց են կարող ծառայել կետային աղբյուրներով ստացվող կտրուկ ստվերների կամ փոքր անցքերի միջոցով ստացվող պատկերների դիտումները։ Մարմնի ուրվագծի և նրա ստվերի հարաբերությունը, երբ մարմինը լուսավորվում է լույսի կետային աղբյուրով (այսինքն՝ այնպիսի աղբյուրով, որի չափերը շատ փոքր են նրա մինչև առարկան ունեցած հեռավորության համեմատությամբ) համապատասխանում է ուղիղ գծերով կատարվող երկրաչափական պրոյեկտմանը։

Լուսային փնջերի անկախության օրենքը

Լուսային հոսքը կարելի է բաժանել առանձին լուսային փնջերի, անջատելով դրնաք իրարից, օրինակ, դիաֆրագմայի միջոցով։ Այդ առանձնացված լուսային փնջերի գործողություններն անկախ են, այսինքն առանձին փնջով կատարված էֆեկտը կախում չունի նրանից՝ ազդում են արդյոք միաժամանակ մյուս փնջերը, թե ոչ։ Այսպես, օրինակ, եթե լուսանկարչական ապարատի օբյեկտիվի մեջ մի լայնատարած լանդշաֆտից ճառագայթներ են ընկնում, ապա փակելով լուսային փնջերի մի մասի մուտքը մենք չենք փոխի մյուս փնջերով տրված պատկերը։

Հայելային մակերևույթից լույսի անդրադարձման օրենքը

Ընկնող ճառագայթը, անդրադարձնող մակերևույթի նորմալը և անդրադարձած ճառագայթը մի հարթությունում են գտնվում ընդ որում ճառագայթենրով և նորմալով կազմված անկյունները իրար հավասար են՝ i անկման անկյունը հավասար է r անդրադարձման անկյանը։

Այս օրենքը նույնպես հիշատակվում է Էվկլիդեսի «Օպտիկա»-ում։ Այս օրենքի սահմանումը կապված է ողորկ մետաղական մակերևույթների (հայելիների) օգտագործման հետ, որը հայտնի էր հնագույն ժամանակներում։

Երկու թափանցիկ միջավայրերի սահմանում լույսի բեկման օրենքը

Ընկնող ճառագայթը և բեկված ճառագայթը բաժանման սահմանի նորմալի հետ գտնվում են միևնույն հարթության վրա։ Անկման i անկյունը և բեկման r անկյունը կապված են, առնչությամբ, որտեղ n-ը անկյունների մեծություններից անկախ մի հաստատուն է։ n մեծությունը՝ բեկման ցուցիչը, որոշվում է այն երկու միջավայրերի հատկություններով, որոնց բաժանման սահմանով անցնում է լույսը և կախում ունի նաև ճառագայթը գույնից։Լույսի բեկման երևույթը հայտնի էր դեռևս Արիստոտելին (մ.թ.ա. 350)։ Օրենքի քանակապես հաստատման փորձը պատկանում է հռչակավոր աստղաբաշխ Պտղոմեոսին (մ.թ.ա. 120), որը ձեռնարկել էր անկման և բեկման անկյունների չափելը։ Նրա բերած չափումների տվյալները շատ ճշգրիտ են։ Պտղոմեոսը հաշվի էր առնում երկրի մթնոլորտում տեղի ունեցող բեկման ազդեցությունը լուսատուների տեսանելի դիրքի վրա (մթնոլորտային ռեֆրակցիա), և նույնիսկ կազմել էր ռեֆրակցիայի աղյուսակները։ Անդրադարձման և բեկման օրենքները նույնպես ճիշտ են միայն որոշ պայմաններ պահպանելու դեպքում։ Այն դեպքում, երբ անդրադարձնող հայելու կամ երկու միջավայրերը իրարից բաժանող մակերևույթի չափերը փոքր են, զգալի շեղումներ են դիտվում նշված օրենքներից։