Օպտիկա

Օպտիկա (տեսագիտություն), ֆիզիկայի բաժին է, որն ուսումնասիրում է լույսի բնույթը, առաքման և կլանման օրենքները, տարածումը տարբեր միջավայրերում, ինչպես նաև նյութի հետ լույսի փոխազդեցության ժամանակ առաջացող երևույթները։

Լույսի բաժանումը պրիզմայի միջով

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 էլեկտրամագնիսական ալիքների սպեկտորի տեսանելի մասով։ Ժամանակակից օպտիկան ուսումնասիրում է էլեկտրամագնիսական ալիքների սպեկտրի (լուսապատկերի) 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 կարևորագույն բաժիններից է սպեկտրոսկոպիան (լուսապատկերաբանություն), որն զբաղվում է ինչպես ատոմների և մոլեկուլների կլանման ու ճառագայթման, այդպես էլ կոմբինացիոն ցրման սպեկտրների ուսումնասիրությամբ։ Օպտիկական չափումները, ուսումնասիրման մեթոդները և գործիքները լայն կիրառություն ունեն կյանքի ամենատարբեր ոլորտներում, թե գիտական և թե գործնական խնդիրների լուծման համար։ Լույսի արագության որոշման փորձերը վակուումում և տարբեր միջավայրերում էական նշանակություն են ունեցել հարաբերականության հատուկ տեսության զարգացման համար։

Օպտիկայի հիմնական օրենքներ

Օպտիկայի զարգացման հենց սկզբնական շրջանում փորձով հաստատված են եղել օպտիկական երևույթների հետևյալ չորս հիմնական օրենքները՝

1. Լույսի ուղղագիծ տարածման օրենքը։
2. Լուսային փնջերի անկախության օրենքը։
3. Հայելային մակերևույթից լույսի անդրադարձման օրենքը։
4. Երկու թափանցիկ միջավայրերի սահմանում լույսի բեկման օրենքը։

Այս օրենքների հետագա ուսումնասիրությունը ցույց տվեց, նախ, որ դրանք շատ ավելի խոր բնույթ ունեն, քան կարող է թվալ առաջին հայացքից, և, երկրորդ, որ այդ օրենքների կիրառությունը սահմանափակ է, և որ դրանք միայն մոտավոր օրենքներ են։ Հիմնական օպտիկական օրենքների կիրառելիության պայմանների և սահմանների սահմանումը նշանակում էր կարևոր առաջադիմություն լույսի բնույթի ուսումնասիրության մեջ։ Այդ օրենքների էությունը հանգում է հետևյալին։

Լույսի ուղղագիծ տարածման օրենք

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 կարող են 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։

Լույսի ուղղագիծ տարածման օրենքը կարելի է համարել փորձով հաստատուն սահմանված։ Նա ունի շատ խոր իմաստ, որովհետև, ըստ երևույթին, ուղիղ գծի հասկացությունը ծագել է օպտիկական դիտումներից։ Ուղիղ գծի երկրաչափական հասկացությունը որպես ամենակարճ հեռավորությունը երկու կետերի միջև, հասկացություն է այն գծի մասին, որով լույսը տարածվում է համասեռ միջավայրում։ Սրանից է առաջացել անհիշելի ժամանակներից օգտագործվող լեկալի կամ շինվածքի ուղղագիծ լինելու ստուգումը տեսողության ճառագայթի միջոցով։ Նկարագրված երևույթի ավելի մանրազնին ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ ուղղագիծ տարածվելու օրենքը իր ուժը կորցնում է, երբ գործ ունենք շատ փոքր անցքերի հետ։

Լուսային փնջերի անկախության օրենք

Լուսային հոսքը կարելի է բաժանել առանձին լուսային փնջերի, անջատելով դրանք 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։

Լույսի անդրադարձման օրենք

Ընկնող ճառագայթը, անդրադարձնող մակերևույթի նորմալը և անդրադարձած ճառագայթը մի հարթությունում են գտնվում, ընդ որում ճառագայթներով 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։

Լույսի բեկման օրենք

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։

Սակայն Պտղոմեոսի չափումները վերաբերում էին համեմատաբար փոքր անկյուններին։ Այդ պատճառով Պտղոմեոսը հանգեց այն սխալ եզրակացության, որ բեկման անկյունը համեմատական է անկման անկյանը։ Շատ ավելի ուշ (մոտ 1000 թ.) արաբական լուսագետ Ալհազենը (Ալհայթամ) հայտնաբերեց, որ անկման և բեկման անկյունների հարաբերությունը հաստատուն չի մնում, սակայն նա օրենքի ճիշտ արտահայտությունը տալ չկարողացավ։ Բեկման օրենքի ճիշտ ձևակերպումը պատկանում է Սնելիին (1591-1626 թթ.), որը իր չհրապարակված գրքում ցույց տվեց, որ անկման և բեկման անկյունների կոսեկանսնների հարաբերությունը մնում է հաստատուն, և Դեկարտին, որը իր «Դիօպտիկայում» (1637) տվեց բեկման օրենքի ժամանակակից ձևակերպումը։ Իր օրենքը Դեկարտը սահմանեց մոտ 1630 թվականին։

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։

Սակայն մի լայնատարած բնագավառի երևույթների համար, որոնք դիտվում են սովորական օպտիկական գործիքներում, բոլոր թվարկված օրենքները պահպանվում են բավականաչափ խիստ ձևով։ Ուստի օպտիկայի գործնականում չափազանց կարևոր բաժնում՝ օպտիկական գործիքների մասին ուսմունքում, այդ օրենքները կարող են համարվել լրիվ կիրառելի։ Լույսի մասին ուսմունքի ամբողջ առաջին էտապը կայացել էր այս օրենքների հաստատմանը վերաբերող հետազոտությունների և օրենքների կիրառությունների մեջ, այսինքն՝ դնում էր երկրաչափական կամ ճառագայթային օպտիկայի հիմքը։

Եթե անկման անկյունը նշանակենք α-ով, իսկ բեկման անկյունը նշանակենք β-ով, ապա համաձայն բեկման օրենքի.

sinα/sinβ=n2/n1

n1 (n2) մեծությունը կոչվում է առաջին (երկրորդ) միջավայրի բեկման ցուցիչ։