Optikens historia, en sammanfattning.
Optik, av grekiskans Optiko’s, Οπτικο’σ ”som hör till synen” (NE)
Optik omfattar vetenskap, teknik och instrument som hör till seendet, dvs. traditionellt ljus i
våglängdsintervallet 400-700 nm. Idag även annan el. magn. strålning.
Fynd i Mesopotamien, 4000 f Kr, (kilskrift) tyder på att man kan ha använt förstoringsglas. Det
finns fynd från den tiden av bergkristall formad som en lins. Man har också hittat lampor och
speglar från denna tid.
I Egypten har man hittat speglar från 2000 f Kr.
Grekland, ("redan de gamla grekerna"), började fungera som ett land av många små
kungadömen omkring 750 f Kr och man bildade kolonier bl a runt Medelhavet. Den grekiske
vetenskapsmannen Thales (640-546 f Kr) inbjöds av präster till Egypten för att mäta höjden på
en pyramid. Han löste det genom attmäta skuggans längd av pyramiden och av en stav med
känd längd.
Euklides (315-250 f Kr), geometrins fader och hans
student Archimedes (287-212 f Kr, Syrakusa på
Sicilien) och många andra kom från universitetet i
Alexandria. Optiken är starkt kopplad till geometrin.
Euklides kände till ljusets rätlinjiga utbredning och
reflexionslagen.
Democritus (460-370 f Kr), Platon (428-347 f Kr) och
Euclides hade alla den teorin att ögonen utsände strålar
och att de återvändande strålarna skapade seendet.
Aristoteles (384-322 f Kr), en av Platons studenter,
anmärkte att ”Om emissionsteorin är riktig, varför kan
vi inte se i mörkret?” Democritus vidhöll att extremt
små partiklar lossnade från det betraktade föremålet och
bildade en replik på betraktarens öga. Hans bevis var att
man ser en bild av objektet på betraktarens öga!
Grekerna gjorde inte experiment för att testa sina
teorier. Brännglas omnämns i en av Aristofanes
komedier.
Hero (n), vid tiden för Kristi födelse, försökte förklara
ljusets rätlinjiga utbredning genom att postulera att
ljuset alltid tar den kortaste vägen mellan två punkter.
Man har funnit rester av linser från tiden runt år 0 i Italien
(romarriket)
Höger, vänster-problematiken vid reflexion i en spegel
kunde grekerna inte förklara.
På 200-talet e. Kr. gjorde Ptolemaios mätningar av ljusets
refraktion (brytning) och kom fram till att r=u*i-k*i2 där r
och i är reflexionsvinkel resp infallsvinkel och u och k är
konstanter. Stämmer bra för små vinklar. Han försökte
också förklara experimentet ”slanten i koppen”.
På 400-talet föll romarriket och den vetenskapliga aktiviteten i Europa dog. Det dröjde till
slutet av medeltiden innan aktiviteten tilltog igen.
Ett lysande undantag var Abu Ali Al-Hasen ibn al-Hasan ibn Al-Haytham (AlHasen) som levde
965-1039 i det Arabiska riket i staden Basra. Han betraktas som den geometriska optikens
fader. Han studerade reflexion i icke-plana ytor och formulerade lagen att infallande stråle,
reflekterad stråle och ytans normal ligger i samma plan. Han studerade refraktion och
formulerade något som motsvarar det vi idag kallar brytningsindex. Han insåg att grekernas
förklaring till seendet var fel och vände på strålgången. Han skapade en fysiologisk modell av
ögat som i stort gäller än idag.
De arabiska kunskaperna spreds och på 1200-talet kom tillverkningen av positiva linser igång
framförallt för användning som glasögon. Venedig är en känd plats för tillverkning, men också i
Kina tillverkades linser. Konkava linser för att korrigera närsynthet kom till användning på
1400-talet. Det dröjde till 1590-talet innan man kom på idén att kombinera två linser för att få
en förstorad bild i det vi idag kallar mikroskop, holländarna Hans och Zacharias Janssen. Den
första kikaren tillverkades troligtvis av Jan Lipperhey, också han holländare.
Ryktet om att någon konstruerat ett instrument för förstoring av ett
näraliggande föremål fick Galileo Galilei (1564-1642), italienare, att
försöka konstruera ett teleskop (med negativt okular) för astronomiska
observationer vilket han också lyckades med. 1610 upptäckte han fyra
av Jupiters månar. Detta ledde till en omprövning av den gällande
världsbilden. Johannes Kepler, mest känd för sina slutsatser om
planeternas rörelser, bytte till okular med positiv lins.
Så här långt är det mesta inom optiken teknik. Vetenskapliga framsteg
gjordes genom att holländaren Willebrord Snell (1591-1626) på
experimentell väg lyckades härleda brytningslagen på 1620-talet. Det
var fransmannen René Descartes som 1637 formulerade lagen som vi
idag känner den. Fransmannen Pierre Fermat publicerade 1657 en
härledning av brytningslagen utgående från postulatet att ljuset alltid
går den väg som tar kortast tid, Fermats princip.
Isaac Newton (1643-1727) var den förste som systematiskt undersökte ljusets dispersion (han
började med detta vid 23 års ålder!) som orsak till att linsteleskop med stor förstoring gav
suddiga bilder. Han förutsade att detta inte skulle kunna korrigeras, vilket motbevisades av den
svenske matemetikern Samuel Klingenstjerna, professor i Uppsala 1728-52. Klingenstjerna
visade att det går att göra akromatiska linssystem, dvs med korrigerade färgfel. (Kanske är han
mest känd för att han införde infinitesimalkalkylen i Sverige) Newton löste problemet genom
att konstruera spegelteleskopet som fick mycket stor betydelse för astronomins utveckling.
Dansken Ole Römer var den förste som gjorde ett experiment för att bestämma ljushastigheten
år 1676 genom att studera förmörkelsen av Jupiters måne Io. Han kom till slutsatsen att
ljushastigheten var 210000 km/s.
Frågan om ljusets natur:
Som framgått hade redan ”de gamla grekerna” teorier om ljusets natur. På 1600-talet, när
vetenskapen började blomstra i Europa, fanns två teorier, vågteorin och partikelteorin.
Fenomenet diffraktion, som studerades av Francesco Maria Grimaldi (1618-63, Bologna) och
Robert Hooke (1635-1703, London), ansågs vara ett stöd för vågteorin. Man visste att
vattenvågor och ljudvågor böjer av runt kanter. Hooke var också den förste att studera
interferens i tunna skikt.
Vågteorin förespråkades också av holländaren Christiaan Huygens (1629-95), känd för
Huygens princip med vilken diffraktionen kunde förklaras. Han drog slutsatsen att ljus går
långsammare i tätare medier och kunde utifrån sin princip härleda brytningslagen. Han
studerade och förklarade också dubbelbrytning. Ett problem var att man visste att andra sorters
vågor utbreder sig i någon sorts medium, hur var det medium som ljuset utbreder sig i
beskaffat? Mediet fick benämningen etern. Newton (1642-1727), den dittills mest framstående
av alla vetenskapsmän, hade som princip att bygga alla slutsatser på observationer och undvika
spekulativa hypoteser. Han vacklade mellan partikel och vågteorierna. Så småningom fastnade
han för partikelteorin, den främsta orsaken var att ljusets rätlinjiga utbredning var svår att
kombinera med vågteorin. Newtons tyngd inom vetenskapen gjorde det svårt för vågteorin att
hävda sig även långt efter hans död.
Vågteorin fick sin pånyttfödelse i och med Thomas Young (1773-1829), som under 1800talets första år förklarade interferens och formulerade superpositionsprincipen. Han kunde
förklara de färger man får vid reflexion i tunna skikt. Han fick dock inte acceptans för sina
teorier, Newtons ande vilade tungt över The Royal Society i London. I Frankrike utvecklade
Augustin Jean Fresnel (1788-1827) Huygens princip och lyckades med vågteorin och
interferensbegreppet matematiskt förklara diffraktionen bakom olika former av hinder. När
Fresnel presenterade sitt arbete för den franska vetenskapsakademin invände Siméon-Denis
Poisson att ”om Fresnels teori var riktig skulle man få en ljus fläck mitt i skugan bakom ett
cirkulärt objekt”, vilket han inte trodde på. François Arago genomförde experimentet och såg
fläcken! Därmed fick vågteorin ett mycket starkt stöd och fläcken är idag känd som Poissons
fläck. Fresnel var från början ovetande om Youngs resultat som kommit 13 år tidigare, men när
de väl fick vetskap om varandra började ett livligt utbyte. Man antog ännu att ljusvågorna var
longitudinella. Samtidigt hade Huygens i samband med dubbelbrytningen upptäckt att det
fanns två sorters ljusstrålar med olika polarisation. Detta kunde inte förklaras innan Young så
småningom föreslog att ljuset var en transversell vågrörelse. Utifrån denna teori kunde Fresnel
härleda sina lagar för ljusets reflexion i en gränsyta mellan två medier. (Detta gjorde han utifrån
en mekanistisk syn på vågutbredning i det tänkta materialet etern). 1825 fanns det inte många
förespråkare kvar för partikelteorin.
Under 1800-talet utvecklades också mätningarna av ljusets hastighet (Fizeau 1849, 315 000
km/s). Foucault mätte hastigheten i vatten och fann 1850 att den var mindre än i luft. Detta
blev det slutliga slaget mot partikelteorin, som förutsade att hastigheten måste vara större i
tätare medier. Samtidigt som optiken utvecklades skedde samma sak med elektromagnetismen.
James Clerk Maxwell lyckades sammanfatta och utveckla de då kända sambanden mellan
elektriska och magnetiska fält och dessutom visa att elektromagnetiska fält kan utbreda sig som
vågor och härleda ett uttryck för deras utbredningshastighet. Han fann att den var lika med
(inom mätnoggrannheten) ljushastigheten, och slutsatsen blev att ljus är en elektromagnetisk
vågrörelse, vilken man fortfarande trodde utbredde sig i etern. Om etern fanns, borde
ljushastigheten bero på hur källa och mottagare rör sig i förhållande till den, jämför
dopplereffekten för ljud i luft. Albert Abraham Michelson och Edward William Morley visade
1887 i ett berömt experiment att ljushastigeten var oberoende av jordens rörelse, vilket ledde
till slutsatsen att eterbegreppet inte behövdes (Poincaré 1900, Einstein 1905, speciella
relativitetsteorin). Slutsatsen var alltså att ljus är en elektromagnetisk våg som inte behöver
något medium för att utbreda sig.
Samtidigt fanns det fenomen som vågteorin inte kunde förklara: Spektralfördelningen hos
svartkroppsstrålning, fotoelektriska effekten är två. Max Planck visade år 1900 hur det första
fenomenet kunde förklaras om man antog att den elektromagnetiska energin är kvantiserad och
Einstein förklarade 1905 den fotoelektriska effekten med samma antagande: Att ljusets energi är
kvantiserad i enheter om E=hν ( ν=frekvensen), en ny form av partikelteori.
Idag vet vi att ljuset har två sidor, en partikelnatur och en vågnatur som inte visar sig samtidigt.
På 1930-talet utvecklade Paul Dirac m fl kvantelektrodynamiken, som förenar dessa aspekter i
en teori.
