Значение слова ОПТИКА в Большой советской энциклопедии, БСЭ

ОПТИКА

(греч. optike - наука о зрительных восприятиях, от optos - видимый, зримый), раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны , и поэтому О. - часть общего учения об электромагнитном поле . Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами , а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны l излучения, а также использование приёмников света , действие которых основано на его квантовых свойствах.

По традиции О. принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет в стороне вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах , преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Её задача - математически исследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью преломления показателя n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающих сред, при которых лучи проходят по заданному пути. Методы геометрической О. позволяют изучить условия формирования оптического изображения объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления, образование миражей , радуг и т.п.). Наибольшее значение геометрическая О. (с частичным привлечением волновой О., см. ниже) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов - от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаря развитию и применению вычислительной математики методы таких расчётов достигли высокого совершенства и сформировалось отдельное направление поучившее название вычислительной О.

По существу отвлекается от физической природы света и фотометрия , посвященная главным образом измерению световых величин , Фотометрия представляет собой методическую основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая зрительный анализатор (от глаза до коры головного мозга) и механизмы зрения .

Физическая О. рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света , интерференции света , поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика , Оптическая анизотропия ). Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической О. - волновой О. Её математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики - Максвелла уравнения . Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами - диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m, входящимив уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти константы однозначно определяют показатель преломления среды: n .

Феноменологическая волновая О., оставляющая в стороне вопрос о связи величин e и m (обычно известных из опыта) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической, волновая О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих или рассеивающих световые пучки систем > > l(длины волны света) но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика (особенно применительно к наиболее длинноволновому участку спектра оптического излучения и смежному с ним т. н. субмиллиметровому поддиапазону радиоизлучения) в которой процессы распространения, преломления и отражения описываются геометрооптически но в которой при этом нельзя пренебрегать и волновой природой излучения. Геометрический и волновой подходы формально объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым лучам геометрической О. постулируется существование различного типа дифрагированных лучей.

Огромную роль в развитии волновой О. сыграло установление связи величин e и m с молекулярной и кристаллической структурой вещества (см. Кристаллооптика , Металлооптика , Молекулярная оптика ). Оно позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптическими характеристиками, а также зависимость от l оптических свойств сред - их дисперсию, влияние на световые явления в средах давления, температуры, звука, электрического и магнитного полей и многое др.

В классической волновой О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно, оптические процессы описываются линейными (дифференциальными) уравнениями. Выяснилось, однако, что во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо; при этом обнаружились совершенно новые явления и закономерности. В частности, зависимость показателя преломления от напряжённости поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества) приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков ( самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектрального состава света, проходящего через такую (нелинейную) среду (генерация оптических гармоник), к взаимодействию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, выделенных направлений преимущественного распространения света (параметрические явления, см. Параметрические генераторы света ) и т.д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой , получившей развитие в связи с созданием лазеров .

Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов ( фотоэффекта , фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать её от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения n (см. Излучение ). Поэтому световому электромагнитному необходимо сопоставить поток квантов света - фотонов , распространяющихся в вакууме со скоростью света с 2,99T109 см / сек . Фотоны обладают энергией h n, импульсом с абсолютной величиной h n/ c и массой h n/ c 2 (их масса покоя равна нулю, см. Масса ), а также спином h /2p; здесь h 6,65T1027 эрг / сек - Планка постоянная . В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона, а в более сложном - сумме или разности энергий нескольких фотонов (см. Многофотонные процессы ). Явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой О. методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике , а оптические явления, не связанные с изменением собственных состояний квантовых систем (например, давление света , Доплера эффект ), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонных представлений.

Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) - частное проявление корпускулярно-волнового дуализма , свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц ) и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения - радиоизлучения ( квантовая электроника , квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физической О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения ( мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров в результате управления полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется упорядоченностью ( когерентностью ). Оно отличается высокой монохроматичностью (Dn/n ~ 10v13, см. Монохроматический свет ), предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотности излучения (~1018 вт T см v2T стер v1). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая О.), были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т.д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которые пропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая О.).

Все разделы О. имели и имеют многочисленные практические применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основе геометрической О. и фотометрии, учитывающей законы физиологической О.; при этом используются достижения физической О. (например, для создания люминесцентных источников света ) и оптические технологии (изготовление зеркал, светофильтров , экранов и т.д.). Одна из важнейших традиционных задач О. - получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости (иконика), решается главным образом геометрической О. с привлечением физической О. (для установления разрешающей способности приборов и систем, учёта зависимости показателя преломления от l- дисперсии света и др.). Геометрическая О. даёт ответ на вопрос, как следует построить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах (см. Аберрации оптических систем ). Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов (стёкол, кристаллов, оптической керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технология обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле используют и асферические оптические элементы.

Новые возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем даёт голография , основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают дополнит. когерентное поле и фиксируют (на фоточувствительном слое или др. методами) возникающую при этом интерференционную картину. При рассматривании полученной т.о. голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получается объёмное изображение предмета.

Появление источников интенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она находит применение при решении многих научных и технических проблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в телах и т.д.

Оптические явления и методы, разработанные в О., широко применяются для аналитические целей и контроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа , основанные на связи структуры атомов и молекул с характером их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света . По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового её направления - лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный анализ используют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и физике моря, химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук - искусствоведении, криминалистике и пр.

Чрезвычайно высокая точность измерительных методов, основанное на интерференции света, обусловила их большое практическое значение. Интерферометры широко применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий , определения показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных измерений длин, измерений угловых размеров звёзд и др. космических объектов (см. Звёздный интерферометр ). В промышленности интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателя преломления непостоянства температуры, давления или состава вещества и т.д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными характеристиками, резко расширившие возможности интерференционных методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов . По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т.д. Широко применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором эти (механические) напряжения определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности - как контрольные при производстве оптически-активных веществ (см. также Сахариметрия ), в минералогии и петрографии - для идентификации минералов, в оптическом приборостроении - для повышения точности отсчётов приборов (например, фотометров ).

Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в качестве диспергирующего элемента ( монохроматоры , спектрографы , спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света (см. Модуляция света ).

Оптические методы, заключающиеся в анализе рассеяния света (особенно мутными средами ), имеют большое значение для молекулярной физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в растворах, определять размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров , а также частиц в коллоидных системах , взвесях и аэрозолях . Последнее весьма важно для атмосферной оптики , оптики красок и порошков. Ценные сведения об энергетической структуре молекул и свойствах тел дают изучение комбинационного рассеяния света , Мандельштама - Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света , обнаруженного благодаря использованию лазеров.

Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях - фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей ,усилителей яркости изображения ( электроннооптических преобразователей ), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио- и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). Фотохимические процессы лежат в основе фотографии и изучаются в специальной области, пограничной между химией и О., - фотохимии . Помимо исследования процессов внутри- и межмолекулярной передачи энергии, фотохимия уделяет большое внимание преобразованию и запасанию световий (например, солнечной) энергии и изменению оптических свойств веществ под действием света (фотохромия). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение ). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов (см. Лазерная технология ).Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами порядка десятков микрон большие мощности излучения, интенсивно развивается оптический метод получения высокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза .

Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники . Первоначально она понималась как замена электронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (к концу 60 - начала 70-х гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислительной техники и обработки информации, исходящие из принципов голографии, и предлагаться новые технические решения, основанные на применении микрооптических устройств (интегральная О.). С появлением лазеров новое развитие получили оптическая дальномерия (см. Светодальномер , Электрооптический дальномер ), оптическая локация и оптическая связь . В них широко используются моменты управления световым лучом электрическими сигналами (см. Модуляция света ). Принципы действия многих из этих элементов основаны на изменении характера поляризации света при его прохождении через электро- или магнито-активные среды (см. Магнитооптика , Керра эффект , Поккельса эффект , Фарадея эффект , Электрооптика ). Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительных работах, в качестве высотомеров и пр. Методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными спутниками Земли по линиям лазерной оптической связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптической видеосвязи.

Практически нет ни одной области науки или техники, в которой не использовались бы оптические методы, а во многих из них О. играет определяющую роль.

Исторический очерк . О. - одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Пифагор в 6 в. до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геометрической О. - прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Второй важный шаг состоял в понимании законов преломления света ( диоптрика ) и был сделан лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в. н. э.), о применении стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (около 400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения о преломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса тогда состояла главным образом в его непосредственной связи с точностью астрономических наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ни Птолемею, ни арабскому учёному Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитый трактат по О., ни даже Г. Галилею и И. Кеплеру . Вместе с тем в средние века уже хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки . По некоторым данным, около 1590 З. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый микроскоп . Первые же наблюдения с помощью телескопа , изобретённого Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астрономических открытий. Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около 1620 В. Снеллиусом (см. Снелля закон преломления ) и Р. Декартом , изложившим их в 'Диоптрике' (1637). Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа ) был завершен фундамент построения и практического использования геометрической О.

Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди ; публикация 1665) и двойного лучепреломления (датский учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геометрической О., и с именами И. Ньютона , Р. Гука и Х. Гюйгенса . Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механическими свойствами среды - переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т.к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую из классических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация - 'изначальное' свойство света, объясняемое определённой ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук - конечной; впервые её величину экспериментально определил в 1676 О. Рёмер , см. Скорость света ). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О., не потерявшим ценности до сих пор, является Гюйгенса - Френеля принцип , согласно которому каждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн; огибающая (поверхность) вторичных волн представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления. Из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n 21 u 1/u2 (где u1 и u 2- скорости света в 1-й и 2-й средах), в то время как у Ньютона (и Гука) получалось обратное (не соответствующее действительности) отношение u2/u1. Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Говоря о световых волнах, Гюйгенс не придавал им буквального смысла и не пользовался понятием длины волны. Он игнорировал явление дифракции, считая, что свет распространяется прямолинейно даже через сколь угодно малое отверстие, и не рассматривал поляризацию света. Не упоминает он и об описанных в 1675 Ньютона кольцах - интерференционном эффекте, прямо свидетельствовавшем о периодичности световых колебаний, а не об их импульсном, как он полагал, характере. Т. о., сформулировав фундаментальный принцип волновой О., Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона. По этой причине и вследствие большого научного авторитета Ньютона корпускулярная 'теория истечения' последнего (её приверженцы придали ей категоричность, не свойственную высказываниям самого Ньютона) сохраняла господствующее положение в О. до начала 19 в., хотя некоторые крупные учёные, например Л. Эйлер и М. В. Ломоносов , отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света. Путь к победе волновой О. открыли работы Т. Юнга и О. Френеля . В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. Полосы равной толщины ) и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса и не только дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и (независимо) Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил волновую теорию кристаллооптических явлений. Т. о., все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Однако и в этом 'триумфальном шествии' были трудности, т.к. детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теоретических построений (так, эфир приходилось наделять свойствами твёрдого тела, в котором, тем не менее, могли свободно перемещаться тела). Эти трудности были радикально разрешены лишь при последовательном развитии учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Максвелл, исходя из открытий М. Фарадея , пришёл к выводу, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны. Позже, в начале 20 в. выяснилось, что для их распространения не нужен эфир.

Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1846) вращения плоскости поляризации света в магнитном поле ( Фарадея эффекта ). Далее было установлено, что отношение электромагнитной и электростатической единиц силы тока по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света с (В. Вебер и Ф. Кольрауш , 1856). Максвелл теоретически показал, а Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачный среде скорость света u c/n c/ , т. е. определяется диэлектрической и магнитной проницаемостями среды. Вначале не удавалось объяснить в рамках электромагнитной теории известные к тому времени зависимости показателя преломления n от длины волны l излучения, используя взятые из опыта значения e и m. Со времён Ньютона была известна нормальная дисперсия - возрастание n с уменьшением l. С позиций упругой волновой теории света она была объяснена Френелем и О. Коши . Но в 1862 французский физик Ф. Леру обнаружил участок дисперсионной кривой, на котором n увеличивался с ростом l. Впоследствии А. Кундт показал, что такая (аномальная) дисперсия свойственна очень многим веществам и связана с поглощением ими света. Возникло представление о веществе как совокупности упругих осцилляторов (резонаторов), с которыми взаимодействует свет (В. Зельмейер, 1872). Развивая эту идею и рассматривая влияние вынужденных колебаний осцилляторов под действием света на скорость его распространения, Г. Гельмгольц (1874) дал полную теорию дисперсии в рамках 'упругой' теории света. В 90-х гг. 19 в. П. Друде , Гельмгольц и в особенности Х. Лоренц при построении электронной теории вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представление об электронах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в том числе нормальную и аномальную дисперсию, т.к. в электронной теории значение e зависит от частоты (длины волны) электромагнитного поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский , 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяется поведением электронов в атомах, явилось открытие в 1896 П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов ( Зеемана эффекта ). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, мысль о котором впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях величина этого давления была впервые измерена П. Н. Лебедевым в 1899. Построение электромагнитной теории света и дополнение её электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось следующим (после победы волновой теории в начале 19 в.) существенным шагом в развитии О.

Электромагнитная теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории . Экспериментальными основаниями для этого были данные оптических опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теоретическим представлениям. Юнг в 1804 показал, что волновая теория требует для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплен Физо опытом . Электродинамика движущихся сред , развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классический Майкельсона опыт , впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторявшийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения ('эфирного ветра'). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде - переносчике электромагнитных колебаний, нашли своё объяснение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), приведшей к кардинальному пересмотру многих положений классической физики и. в частности, окончательно устранившей необходимость в эфире - гипотетической среде-переносчике света.

Плодотворность классической электродинамической теории света Максвелла - Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, например в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) эффекта Черенкова - Вавилова излучения (открытого в 1934), в выдвижении Д. Габором (1948) идеи голографии (с записью волнового поля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трёхмерных голограмм, начало которому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962) и т.д.

Несмотря на успехи электродинамические теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн теплового излучения (излучения абсолютно чёрного тела ). Рассматривая эту принципиальную проблему, М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдаёт энергию электромагнитному полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, - квантами. Утверждение Планка противоречило классическим представлениям и перенесло идею прерывности (дискретности) на процессы испускания и поглощения света. Развитие идеи Планка не только дало удовлетворительное решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей современной квантовой физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), который приписал квантам света - фотонам , кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. многие черты корпускулярных представлений. Электромагнитное поле (его интенсивность) в квантовой О. определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квантовую структуру ансамбля элементарных излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физического смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существующие, только двигаясь со скоростью света, приобрели черты материальных частиц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если же фотон не поглощается, взаимодействуя с частицей (например, свободным электроном), или он отражается от макроскопического тела (например, неподвижного или движущегося зеркала), он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абсолютную величину скорости) в соответствии с законами соударения двух материальных тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить основные законы фотоэффекта , впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888-1890, и дать ясную трактовку фотохимических превращений. Они позволяют наглядно истолковать существование коротковолновой границы в тормозном излучении электронов (макс. энергия фотона равна энергии электрона), Комптона эффект (открытый в 1922), стоксовский сдвиг частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационное рассеяние света (открытое в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо Ч. В. Раманом ) и огромное число др. явлений взаимодействия света с веществом, известных ко времени формирования квантовой теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квантовым представлениям был следующим существенным шагом в О., которую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квантовой физики вообще.

В современной О. квантовые представления не противополагаются волновым, а органически сочетаются в квантовой механике и квантовой электродинамике ,Исключительное значение квантовая механика имеет для спектроскопии, позволившей получить обширные сведения о строении атомов, молекул и конденсированных сред, а также о протекающих в них процессах. Это стало возможным благодаря развитию квантовой теории в трудах Н. Бора , М. Борна , Э. Шрёдингера , В. Гейзенберга , В. Паули , П. Дирака , Э. Ферма , Л. Д. Ландау , В. А. Фока и многих др. физиков. Квантовая теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрических, магнитных и акустических полей на спектры, установить зависимость характера спектра от условий возбуждения и т.д. Примером обратного влияния О. на развитие самой квантовой теория может служить вызванное необходимостью объяснения спектральных закономерностей открытие собственного момента количества движения v спина - и связанного с ним собственного магнитного момента у электрона (С. Гаудсмит , Дж. Уленбек , 1925) и др. частиц и ядер атомов, повлекшее за собой установление Паули принципа (1925) и, в свою очередь, истолкование сверхтонкой структуры спектров (Паули, 1928). Т. о., построение двух из наиболее фундаментальных теорий современной физики - квантовой механики и специальной теории относительности - было стимулировано в первую очередь проблемами, возникшими при развитии О., и основывалось на наблюдении и анализе оптических явлений.

Примером успехов новой О. является оптическая ориентация (ориентация магнитных моментов) атомов фотонами, отдающими им свой спин при поглощении, (А. Кастлер , 1953). Наиболее важное событие современной О. - экспериментальное обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916 (см. также Излучение ). Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход, и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсией населённостей энергетических состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться, т. е. происходит усиление исходного светового потока (оптического сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи (например, путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн - мазеры) были созданы А. М. Прохоровым ,Н. Г. Басовым и Ч. Таунсом в 1954. В 1960 был построен первый лазер на рубине, вскоре в том же году - первый газоразрядный лазер на смеси гелия и неона, а в 1962 - полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена и за ними последовали многочисленные исследования свойств вынужденного излучения и возможностей его генерации. Было установлено, что, используя различные методы получения инверсной населённости, можно строить лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие таких традиционных областей О., как спектроскопия, люминесценция, фотохимия, привело к возникновению совершенно новых научных и технических направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптическая обработка материалов) и к модификации уже развивавшихся направлений (например, оптической связи и оптической локации), сделало возможным практическую реализацию и широкое применение ранее высказанных идей (голография), позволило распространить методы О. на решение задач, не свойственных ей раньше (например, проблема управляемого термоядерного синтеза ), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика. 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1-2, М. - Л., 1948-52: Герцбергер М., Современная геометрическая оптика, пер. с англ., М., 1962; Квазиоптика, пер. с англ., под ред. Б. Каценеленбаума и В. Шевченко, М., 1966; Сороко Л. М., Основы голографии и когерентной оптики, М., 1971; Бломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Действие излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Ельяшевича, М., 1970; Гарбуни М., Физика оптических явлений, пер. с англ., М., 1967; Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Вавилов С. И., Экспериментальные основания теории относительности, М. - Л., 1928; Ньютон И., Оптика..., 2 изд., М., 1954; Калверт Дж., Питтс Дж., Фотохимия, пер. с англ., М., 1968; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; 3оммерфельд А., Оптика, пер. с нем., М., 1953; Лорентц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., М., 1953; Клаудер Дж., Сударшан Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970; Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950.

А. М. Бонч-Бруевич.

Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012