CapÃtulo 2 : Ótica

O estudo do comportamento e das qualidades da luz, incluindo suas interações com a matéria e o design de instrumentos que usam ou detetam a luz, é o foco do campo da física conhecido como ótica. Na maioria dos casos, o comportamento da luz visível, ultravioleta e infravermelha é descrito pela profissão de ótica. A luz é um tipo de radiação eletromagnética, e outros tipos de radiação eletromagnética, incluindo raios-X, micro-ondas e ondas de rádio, exibem propriedades que são comparáveis às da luz.

É possível explicar a maioria dos fenómenos óticos empregando a descrição eletromagnética tradicional da luz; No entanto, é frequentemente difícil pôr em prática estas explicações eletromagnéticas abrangentes da luz. A prática da ótica prática normalmente envolve o uso de modelos simplificados. A luz é vista como um conjunto de raios que se movem em linhas retas e se curvam quando passam ou refletem de superfícies em ótica geométrica, que é a mais frequente desses tipos de ótica. Um modelo mais abrangente de luz é conhecido como ótica física. Este modelo leva em consideração fenômenos ondulatórios como difração e interferência, que não são contabilizados na ótica geométrica. No decorrer da história humana, o modelo de luz baseado em raios foi inicialmente desenvolvido, e depois o modelo de onda de luz foi produzido. Foi durante o século 19 que os avanços na teoria eletromagnética levaram à perceção de que as ondas de luz eram, de fato, radiação eletromagnética.

Certas ocorrências dependem do fato de que a luz possui qualidades ondulatórias e de partículas. O campo da mecânica quântica é necessário para explicar esses fenômenos. A luz é modelada como uma coleção de partículas conhecidas como "fótons" quando as qualidades semelhantes a partículas da luz são levadas em consideração. O campo da ótica quântica está preocupado com o conceito de aplicação da mecânica quântica a sistemas óticos.

O estudo da ciência ótica é relevante e pesquisado em uma ampla variedade de tópicos relacionados, como astronomia, numerosos setores de engenharia, fotografia e medicina (especialmente oftalmologia e optometria, em que é referido como ótica fisiológica). Espelhos, lentes, telescópios, microscópios, lasers e fibras óticas são apenas alguns dos exemplos de aplicações práticas da ótica que podem ser encontradas em uma ampla gama de tecnologia e coisas comuns.

A invenção das lentes pelos antigos egípcios e mesopotâmicos é considerada o início do campo da ótica. De acordo com o Museu Arqueológico de Heraclion, na Grécia, as primeiras lentes conhecidas foram fabricadas a partir de cristal polido, mais comumente quartzo, e datam do ano 2000 a.C. As lentes de Rodes datam de aproximadamente 700 a.C., assim como as lentes da Assíria, como o exemplo da lente Nimrud. Para criar lentes, os antigos gregos e romanos enchiam as esferas de vidro com água. Após estas conquistas práticas, filósofos gregos e indianos desenvolveram teorias da luz e da visão, e a cultura greco-romana contribuiu para o desenvolvimento da ótica geométrica. Ambos os desenvolvimentos ocorreram após estes desenvolvimentos práticos. A origem da palavra ótica pode ser rastreada até a antiga palavra grega ?pt???, que significa "aparência" ou "olhar".

A teoria da intromissão e a teoria das emissões foram duas teorias rivais que surgiram da filosofia grega sobre ótica. Ambas as teorias tentaram explicar como a visão funcionava. Do ponto de vista da abordagem da intromissão, pensava-se que a visão se originava de coisas que emitiam cópias de si mesmas, que eram referidas como eidola, e eram então coletadas pelo olho. Esta hipótese parece ter algum contato com as teorias contemporâneas do que a visão realmente é, apesar do fato de que ela foi propagada por um grande número de pessoas, incluindo Demócrito, Epicuro e Aristóteles, bem como seus seguidores. No entanto, permaneceu pouco mais do que especulação e carecia de qualquer base experimental.

Platão é creditado como a primeira pessoa a enunciar a teoria das emissões, que propõe que os olhos projetam raios que são responsáveis pela perceção visual. A inversão da paridade dos espelhos no Timeu foi outro tema que discutiu. Cem anos mais tarde, no século IV ou III a.C., Euclides escreveu um tratado chamado Ótica. Nele, ele estabeleceu uma conexão entre visão e geometria, estabelecendo assim o campo da ótica geométrica. Em seu estudo, baseou-se na teoria das emissões de Platão, na qual definiu os princípios matemáticos da perspetiva e caracterizou qualitativamente os efeitos da refração. No entanto, ele questionou a possibilidade de que um feixe de luz do olho pudesse iluminar instantaneamente as estrelas toda vez que alguém pudesse piscar o olho. A noção do caminho mais curto da luz foi articulada por Euclides, que também levou em consideração as muitas reflexões que ocorrem em espelhos esféricos e planos.

Uma teoria da visão conhecida como extramissão-intromissão foi proposta por Ptolomeu em sua obra Ótica. De acordo com esta teoria, os raios (ou fluxo) provenientes do olho formavam um cone, com o vértice localizado dentro do olho e a base definindo o campo visual. Devido à sua sensibilidade, os raios foram capazes de se comunicar com a mente do observador e fornecer informações sobre a distância entre as superfícies e sua orientação. Uma parte significativa do trabalho de Euclides foi resumida por ele, e ele passou a fornecer um método para medir o ângulo de refração. No entanto, ele não reconheceu a conexão empírica que existe entre o ângulo de refração e o ângulo de incidência. Ao longo do primeiro e segundo séculos após a era comum, Plutarco forneceu uma descrição de muitos reflexos em espelhos esféricos. Ele também cobriu o processo de criação de imagens ampliadas e diminuídas, reais e fictícias, incluindo o caso da quiralidade das imagens.

Os conceitos que os gregos tinham em relação à ótica foram revividos e expandidos por autores do mundo muçulmano durante a Idade Média. Al-Kindi, que viveu por volta do ano 801 e morreu por volta de 873, foi um dos primeiros deles. Ele falou sobre as vantagens das idéias aristotélicas e euclidianas da ótica, mas acreditava que a teoria das emissões era superior, uma vez que poderia quantificar melhor os fenômenos óticos. Ibn Sahl, um matemático persa, escreveu o tratado "Sobre espelhos e lentes em chamas" no ano de 984. Neste trabalho, ele descreveu com precisão uma lei de refração que é comparável à lei de Snell. Ao aplicar esta fórmula, ele foi capaz de determinar as formas mais eficazes para lentes e espelhos curvos. A partir do início do século 11, Alhazen (Ibn al-Haytham) escreveu o Livro da Ótica, também conhecido como Kitab al-manazir. Neste trabalho, investigou os conceitos de reflexão e refração e apresentou um novo sistema de explicação da visão e da luz baseado na observação e na experimentação. Como alternativa, ele propôs a ideia de que a luz refletia em todas as direções em linhas retas de todos os pontos dos objetos que estavam sendo vistos e depois entrava no olho, apesar do fato de que ele era incapaz de explicar corretamente como o olho capturava os raios. Ele rejeitou a "teoria da emissão" da ótica ptolomaica, que afirmava que o olho era responsável pela emissão dos raios. Por volta do ano 1200 d.C., o livro de Alhazen foi traduzido para o latim por um tradutor desconhecido, apesar de ter sido praticamente esquecido no mundo árabe. Foi então resumido e elaborado pelo monge polonês Witelo, o que resultou em que se tornou um tratado clássico sobre ótica na Europa para os quatrocentos anos subsequentes.

Uma epistemologia da luz, uma metafísica ou cosmogonia da luz, uma etiologia ou física da luz e uma teologia da luz, baseada nas obras de Aristóteles e do platonismo, foram alguns dos temas discutidos nos escritos do bispo inglês Robert Grosseteste, que viveu no século 13 na Europa medieval. Grosseteste escreveu sobre uma ampla gama de tópicos científicos. Roger Bacon, o mais conhecido seguidor de Grosseteste, é autor de escritos que citam uma grande variedade de obras recentemente traduzidas nos campos da filosofia e da ótica. Estas obras incluíam obras de Alhazen, Aristóteles, Avicena, Averróis, Euclides, al-Kindi, Ptolomeu, Tideus e Constantino, o Africano. Através do uso de fragmentos de esferas de vidro como lupas, Bacon foi capaz de demonstrar que a luz é refletida pelos objetos em vez de ser liberada deles.

No ano de 1286, a Itália foi o berço do primeiro par de óculos que podiam ser usados.

A moagem e polimento de lentes para estes "óculos" foi o início do negócio ótico, que começou em Veneza e Florença no século XIII. Mais tarde, os centros de produção de espetáculos na Holanda e na Alemanha começaram a produzir óculos. Em vez de confiar na teoria ótica primitiva da época, que, na maioria das vezes, era incapaz de explicar adequadamente como os óculos funcionavam, os fabricantes de óculos desenvolveram tipos melhorados de lentes com o objetivo de corrigir a visão. Estas lentes foram desenvolvidas com base mais no conhecimento empírico obtido a partir da observação dos efeitos das lentes. Este desenvolvimento prático, domínio e experimentação com lentes levou diretamente à invenção do microscópio ótico composto por volta do ano de 1595, bem como do telescópio refrator no ano de 1608. Ambas as invenções tiveram o seu início nas instalações nos Países Baixos que eram responsáveis pela produção de óculos.

Johannes Kepler expandiu a ótica geométrica em seus escritos no início do século 17. Ele discutiu...