Optikk, lyslære, et hovedområde i den klassiske fysikk, ved siden av lydlære (akustikk), varmelære (termodynamikk) og mekanikk (dynamikk, statikk). I dag er de teoretiske forutsetninger for denne oppdelingen til dels opphevet, men som betegnelser for praktiske arbeidsområder gjelder den fortsatt.

Opprinnelig var optikken begrenset til synserfaringer, men ble i løpet av 1800-tallet utvidet med analoge erfaringer knyttet til teorien for elektromagnetisk stråling (ultrafiolett og infrarødt lys, røntgenstråling, mikrobølger, radiobølger) samt bevegelse av elektrisk ladede partikler i elektriske og magnetiske felter (elektronoptikk, ioneoptikk). I løpet av 1900-tallet utviklet kvanteoptikken begreper og eksperimentelle metoder som går ut over den klassiske optikk.

Optikk brukes for øvrig også som betegnelse på systemet av optiske komponenter (linser, speil, prismer, blendere) i optiske instrumenter. Man taler f.eks. om «mikroskopets optikk».

Betegnelsen optikk stammer fra Evklids verk «Optikken» (Optiké, ca. 300 f.Kr.), som rommet en fullstendig lære om stedet for det sette i et geometrisk definert synsrom. Dette synsrommet har form av en strålekjegle med sin spiss i øyet og sin grunnflate i det sette. Betingelsen for at noe skal bli sett er at det treffes av synsstråler og at det er stort nok til å danne grunnflate i en synskjegle. For øyet er tingenes størrelse bestemt av synskjeglens åpningsvinkel (synsvinkelen). Deres sted i synsfeltet er bestemt ut fra vår intuitive fornemmelse av høyre, venstre, opp og ned når vi retter blikket mot tingene.

Evklids optikk er en ren perspektivlære om det sette. Synsstrålene har ingen bestemte fysiske eller fysiologiske egenskaper.

Også før Evklid fantes det ansatser til prinsipper for synets fysiologiske grunnlag. Platon (427–347 f.Kr.) bestemte f.eks. det sette som en fornemmelse av farge. Han begrunnet denne fornemmelsen som en virkning av at øyets «ild» gjør motstand mot tingenes «ild». Selv om Platon i denne forbindelse taler om «stråler», mener han åpenbart ikke geometriske linjer, men dynamiske kvaliteter. Han skildrer også anskuelig hvordan synsilden selv omsmelter en del av vår organisme til et gjennomsiktig medium for synet.

Platons elev Aristoteles avviste forestillingen om «stråler» og «ild», det være seg fra tingen eller fra øyet. Han oppfattet lys som en dynamisk egenskap ved mediet, som ligger til grunn for gjennomsiktighet, og han begrunner det sette som en fornemmelse som oppstår gjennom øyets berøring med et gjennomsiktig medium.

Demokrit (460–ca. 370 f.Kr.) skal ha forsøkt å begrunne det sette som en slags gjenspeiling i øyet. Under henvisning til at vi ser speilbilder på øyets hornhinne skal han ha tenkt seg at tingene utstråler bilder (eidola) som består av atomer som alt etter sine former og overflateegenskaper fremkaller spesifikke fargefornemmelser i øyet.

Empedokles (ca. 494–434 f.Kr.) tenkte seg at øyet er gjennomtrengt av porer som sorterer de innkomne billedelementer. En slik oppfatning synes å peke mot våre dagers forestillinger om spesifikke sanseceller (reseptorer) som formidlere av informasjon.

Det er typisk for de første greske teoretikere at de bygde på prinsipper, men uten å prøve prinsippene kritisk gjennom systematiske eksperimenter. Praktiske erfaringer som ble trukket inn, stammet fra dagligliv og håndverk. Men innenfor denne erfaringsrammen var tidens teoretikere nøyaktige iakttagere og deres prinsipper var solide. Det som har skjedd frem til i dag er ikke at prinsippene er blitt omstyrtet, men heller at de er blitt utvidet.

Et eksempel på den antikke optikkens begrensede rekkevidde er at selv om man kjente til avbildning gjennom små hull (camera obscura) og utnyttet dette f.eks. ved betraktning av solformørkelser, hadde man ut fra Evklids og tidens optikk for øvrig ingen generell forklaring på dette fenomenet.

Av andre optiske fenomener som Evklid ikke kunne forklare, kan nevnes «måneillusjonen», nemlig at måneskiven synes større når den står ved horisonten enn når den står høyt på himmelen. Evklids optikk tar heller ikke stilling til problemet om syn med to øyne (stereoskopisk syn).

Fra den sengreske perioden er det særlig to optikere som har gjort seg bemerket, nemlig Heron (ca. 100 e.Kr.) og Ptolemaios (ca. 150 e.Kr.), begge fra Alexandria.

Heron etterlot seg bl.a. en lære om speilbilder (katoptrikk) og er kjent for et generelt teorem som sier at lyset ikke gjør unødvendige omveier mellom to punkter, men alltid følger den korteste vei. Teoremet kan ha hatt sin bakgrunn i et generelt metafysisk prinsipp hos Aristoteles. Det klassifiseres i dag som et minimumsprinsipp. Da det ble tatt opp igjen på 1600-tallet, oppdaget man at det alltid gjelder for speiling i plan- og kulespeil, men ikke alltid for hulspeil. Det ble da erstattet av et mer generelt ekstremalprinsipp (Fermats prinsipp).

Ptolemaios etterlot seg en optikk i 5 bind. Han gjorde bl.a. systematiske målinger av lysets brytning i vann. Hans brytningstabeller, som er en blanding av målinger og ekstrapolerte (utlignede) verdier, ble brukt i praksis frem til 1600-tallet, da W. Snell og R. Descartes formulerte en allmenn brytningslov.

Også Ptolemaios beskjeftiget seg med «måneillusjonen» og forklarte den som en subjektiv perspektivisk illusjon, som skyldes at horisonten i sin alminnelighet synes fjernere enn himmelhvelvingen. Vanligvis opplever vi ikke himmelen som en halvkule, men som en avflatet hvelving. Måneillusjonen er for øvrig et fenomen som fortsatt beskjeftiger forskere.

Optikken fikk en ny blomstring i den persisk-arabiske kultur, hvor Ibn al-Haitham (Alhazen) (ca. 1000 e.Kr.) rager opp som en av de fremste optikere gjennom tidene. Han bygde på grekernes prinsipper og bekjente seg særlig til Aristoteles, men i sitt store verk om optikk (lat. Thesaurus Opticae) overgikk han langt grekerne m.h.t. teoretiske og eksperimentelle enkeltstudier. I et eget verk om brennspeil behandlet han den matematiske teori for sfæriske og paraboliske speil samt øyets bygning og virkemåte. Hans navn er knyttet til «Alhazens problem», nemlig å bestemme det punkt på et gitt kulespeil som reflekterer en stråle fra et gitt punkt i retning av et gitt øye. Oppgaven fører til en ligning av fjerde grad som han på gresk måte løste geometrisk ved hjelp av kjeglesnitt. Han gjorde systematiske forsøk med camera obscura og formulerte en generell teori for avbildning gjennom hull.

Renessansen ble et vendepunkt i optikkens historie, hvilket kan sees i sammenheng med et våknende behov for å avbilde det sette. Dette hadde ikke bare praktisk interesse i landskapstopografi og kartografi, men også for billedkunsten var det blitt et mål å gjengi tingene slik de viser seg for øyet. Dette ledet til oppdagelsen av sentralperspektivet og loven om fluktpunkter.

I den etterfølgende tid ble sentralperspektivet ivrig studert, og perioden har etterlatt seg ikke bare lærebøker, men også mekaniske hjelpemidler i form av sikteinnretninger til bruk for malere og topografer som ville sikre seg en perspektivisk korrekt gjengivelse i sine bilder.

Dette medførte også et behov for å kunne gjengi fordelingen av lys og skygge på tingenes overflater, samt skyggekasting overhodet. En frukt av tidens systematiske studier av skyggekasting var de første ansatser til den projektive geometri som på 1800-tallet skulle komme til å utvide Evklids geometri og grunnlaget for fysikkens verdensbilde (jfr. G. Désargue).

Det ble nå vanlig å tale om to optikker, nemlig prospettiva naturalis, som ikke var noe annet enn Evklids lære om det sette, og prospettiva artificialis som var læren om sentralperspektivisk avbildning av det sette på en flate.

En annen frukt av den nye optikk var oppfatningen av øyet som instrument for sentralperspektivisk avbildning på netthinnen. Allerede Leonardo da Vinci (1452–1519) hadde ut fra sine eksperimenter med camera obscura overveid denne muligheten, men han klarte ikke å konstruere en tilfredsstillende modell for et slikt øye.

Ved å utnytte sine kunnskaper om lysbrytning og sine praktiske erfaringer med perspektivisk avbildning kunne J. Kepler (1571–1630) vise at øyelinsen avbilder de ytre objekter på netthinnen. Dermed skapte han den geometriske avbildningsoptikk, som fortsatt anvendes.

Dermed begynte også et nytt kapittel i optikkens historie. Forestillingene om synsstråler og eidola ble nå forlatt, til fordel for den aristoteliske idé om lyset som prosess i et medium. Dette underbygde interessen for et systematisk studium av lysets funksjon i mediet, hvilket igjen medførte at optikken ble delt opp i to disipliner: geometrisk og fysikalsk optikk.

Men Kepler selv hadde allerede gått enda videre. Et bilde på netthinnen er ikke identisk med det sette i Evklids betydning, og Kepler innså at optikken må utvides med en vitenskap om hvordan en avbildning gjennom øyet blir transformert til det sette. Denne vitenskapen kalte han «fysiologi».

En videre oppdeling av optikken fant sted gjennom virkeliggjørelsen av en vitenskap om synets fysiologiske grunnlag. Som vi har sett, har denne disiplinen røtter i antikkens optiske prinsipper, men en praktisk anvendbar form fikk den først ved inngangen til 1800-tallet. Da systematiserte J. W. Goethe sine erfaringer med det som han kalte «fysiologiske farger», samtidig som T. Young grunnla teorien for tre typer av fargereseptorer i netthinnen. Mot slutten av 1800-tallet sammenfattet H. Helmholtz synsvitenskapens historie, erfaringsmateriale og teorier i sitt store verk Physiologische Optik. Herfra stammer betegnelsen «fysiologisk optikk».

Geometrisk optikk handler om lovene for fenomener som kan forklares ved hjelp av lysets rettlinjede gang, brytning og refleksjon. Den gir det teoretiske grunnlaget for anvendelse av speil, linser og prismer ved konstruksjon av optiske instrumenter. Lysets utbredelse blir da gjerne anskueliggjort ved hjelp av strålekonstruksjoner (jfr. bilde).

Fysikalsk optikk omfatter beskrivelse av lysets natur og dets vekselvirkning med materie. Den fysikalske optikken deles vanligvis i bølgeoptikk og kvanteoptikk.

I bølgeoptikken betraktes lys som elektromagnetiske bølger som kan beskrives ved hjelp av Maxwells ligninger for det elektromagnetiske felt. Fenomener som får sin forklaring på denne måten er refleksjon, brytning, dobbeltbrytning, dispersjon, interferens, diffraksjon, polarisasjon og spredning.

Mellom geometrisk optikk og bølgeoptikk er det ingen skarp grense. For så vidt som strålenes retning bestemmes ved hjelp av en bølgemodell for lysets utbredelse, er også bølgeoptikken geometrisk optikk. På grunnlag av bølgemodellen er det også blitt utviklet en teknikk for tredimensjonal avbildning, basert på diffraksjon i stedet for brytning (se holografi).

En annen teknisk nyvinning som bidrar til å utviske grensen mellom geometrisk og fysikalsk optikk, er laserstrålen, som m.h.t. brytning og refleksjon oppfører seg som en stråle i klassisk geometrisk forstand. Se laser.

I kvanteoptikken går man ut fra at elektromagnetisk stråling består av energikvanter. Dette ble foreslått av M. Planck (1900) for å forklare varmestråling og av A. Einstein (1905) for å forklare den fotoelektriske effekt. I Bohrs atomteori legges lysets kvantenatur til grunn for emisjon og absorpsjon av lys i de enkelte atomer og molekyler. Dette kan forklare lysets absorpsjon i materien og dermed stoffenes farger, de forskjellige formene for luminescens (fosforescens og fluorescens), fotoledning, fotokjemiske reaksjoner og comptoneffekt. Se også lys.

I den ikke-lineære optikken behandles fenomener som svarer til ikke-lineære effekter ved akustiske og elektriske svingninger. Når et svingende system, f.eks. en klangbunn eller en elektrisk forsterker, settes i svingning med en bestemt frekvens, kan det i systemet oppstå oversvingninger hvis frekvenser er et helt antall ganger grunnfrekvensen. Dette kalles en ikke-lineær effekt i det svingende system. På samme måte kan det ved absorpsjon eller spredning av lys oppstå lyskvant med energi svarende til svingninger med den dobbelte eller flerdobbelte frekvens. Slike ikke-lineære optiske effekter kan påvises når intense monokromatiske lysstråler, laserstråler, absorberes eller spres. Effekten illustrerer sammenhengen mellom lysets bølge- og kvantenatur. Den har interesse ved studiet av vekselvirkningen mellom lys og materie ved stimulert emisjon, absorpsjon og dispersjon.

Fysiologisk optikk omfatter teorier for synsfunksjonen, sammenhengen mellom avbildningen i øyet og synsfornemmelsen, etterbilder, optiske illusjoner m.m. Fysiologisk optikk danner et grenseområde mellom fysikk og fysiologi, bl.a. nevrofysiologi.

Meteorologisk optikk blir undertiden fremstilt som en egen disiplin. Den hviler på de samme prinsipper som optikken for øvrig. Atmosfæren gir grunnlag for optiske prosesser i global målestokk som er av stor betydning for livet på Jorden (f.eks. drivhuseffekten). Fagfeltet er derfor i ekspansjon.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.