Capitolo 2 : Ottica
Lo studio del comportamento e delle qualità della luce, comprese le sue interazioni con la materia e la progettazione di strumenti che utilizzano o rilevano la luce, è il fulcro del campo della fisica noto come ottica. Nella maggior parte dei casi, il comportamento della luce visibile, ultravioletta e infrarossa è descritto dalla professione dell'ottica. La luce è una sorta di radiazione elettromagnetica e altri tipi di radiazioni elettromagnetiche, inclusi i raggi X, le microonde e le onde radio, mostrano proprietà paragonabili a quelle della luce.
È possibile spiegare la maggior parte dei fenomeni ottici impiegando la tradizionale descrizione elettromagnetica della luce; Tuttavia, è spesso difficile mettere in pratica queste spiegazioni elettromagnetiche complete della luce. La pratica dell'ottica pratica comporta tipicamente l'uso di modelli semplificati. La luce è vista come un insieme di raggi che si muovono in linea retta e si piegano quando passano o si riflettono dalle superfici nell'ottica geometrica, che è la più frequente di questi tipi di ottica. Un modello più completo della luce è noto come ottica fisica. Questo modello prende in considerazione fenomeni ondulatori come la diffrazione e l'interferenza, che non sono presi in considerazione nell'ottica geometrica. Nel corso della storia umana, è stato inizialmente sviluppato il modello della luce basato sui raggi, e poi è stato prodotto il modello ondulatorio della luce. Fu durante il XIX secolo che i progressi nella teoria elettromagnetica portarono alla realizzazione che le onde luminose erano, in effetti, radiazioni elettromagnetiche.
Alcuni eventi dipendono dal fatto che la luce possiede sia qualità ondulatorie che particellari. Il campo della meccanica quantistica è necessario per spiegare questi fenomeni. La luce è modellata come un insieme di particelle note come "fotoni" quando vengono prese in considerazione le qualità particellari della luce. Il campo dell'ottica quantistica riguarda il concetto di applicazione della meccanica quantistica ai sistemi ottici.
Lo studio della scienza ottica è rilevante e ricercato in un'ampia varietà di argomenti correlati, come l'astronomia, numerosi settori dell'ingegneria, la fotografia e la medicina (in particolare l'oftalmologia e l'optometria, in cui viene indicata come ottica fisiologica). Specchi, lenti, telescopi, microscopi, laser e fibre ottiche sono solo alcuni degli esempi di applicazioni pratiche dell'ottica che possono essere trovate in un'ampia gamma di tecnologie e cose comuni.
L'invenzione delle lenti da parte degli antichi egizi e mesopotamici è considerata l'inizio del campo dell'ottica. Secondo il Museo Archeologico di Eraclio in Grecia, le prime lenti conosciute sono state realizzate in cristallo lucido, più comunemente quarzo, e risalgono all'anno 2000 a.C. Le lenti di Rodi risalgono a circa il 700 a.C., così come le lenti dell'Assiria, come l'esempio della lente Nimrud. Per creare le lenti, gli antichi greci e romani riempivano d'acqua delle sfere di vetro. Dopo queste conquiste pratiche, gli antichi filosofi greci e indiani svilupparono teorie sulla luce e sulla visione, e la cultura greco-romana contribuì allo sviluppo dell'ottica geometrica. Entrambi questi sviluppi si sono verificati dopo questi sviluppi pratici. L'origine della parola ottica può essere fatta risalire all'antica parola greca ?pt???, che significa "apparenza" o "sguardo".
La teoria dell'intromissione e la teoria dell'emissione erano due teorie rivali emerse dalla filosofia greca sull'ottica. Entrambe queste teorie hanno tentato di spiegare come funzionava la vista. Dal punto di vista dell'approccio dell'intromissione, si pensava che la visione avesse origine da cose che emettevano copie di se stesse, che venivano indicate come eidola, e venivano poi raccolte dall'occhio. Questa ipotesi sembra avere qualche contatto con le teorie contemporanee su cosa sia effettivamente la visione, nonostante il fatto che sia stata propagata da un gran numero di persone, tra cui Democrito, Epicuro e Aristotele, così come dai loro seguaci. Tuttavia, rimase poco più che speculazione e mancava di qualsiasi base sperimentale.
Platone è accreditato di essere la prima persona ad enunciare la teoria dell'emissione, che propone che gli occhi proiettino raggi responsabili della percezione visiva. L'inversione di parità degli specchi nel Timeo fu un altro argomento che discusse. Cento anni dopo, nel IV o III secolo a.C., Euclide scrisse un trattato intitolato Ottica. In esso, stabilì una connessione tra visione e geometria, stabilendo così il campo dell'ottica geometrica. Nel suo studio, lo basò sulla teoria dell'emissione di Platone, in cui definì i principi matematici della prospettiva e caratterizzò qualitativamente gli effetti della rifrazione. Tuttavia, ha messo in dubbio la possibilità che un raggio di luce proveniente dall'occhio possa illuminare istantaneamente le stelle ogni volta che qualcuno sbatte le palpebre. La nozione del percorso più breve della luce è stata articolata da Euclide, che ha preso in considerazione anche le molte riflessioni che si verificano sugli specchi sferici e piatti.
Una teoria della visione nota come estrazione-intromissione fu proposta da Tolomeo nella sua opera Ottica. Secondo questa teoria, i raggi (o flusso) provenienti dall'occhio formavano un cono, con il vertice situato all'interno dell'occhio e la base che definiva il campo visivo. Grazie alla loro sensibilità, i raggi erano in grado di comunicare con la mente dell'osservatore e fornire informazioni sulla distanza tra le superfici e sul loro orientamento. Una parte significativa del lavoro di Euclide è stata riassunta da lui, ed egli ha proceduto a fornire un metodo per misurare l'angolo di rifrazione. Tuttavia, non riuscì a riconoscere la connessione empirica che esiste tra l'angolo di rifrazione e l'angolo di incidenza. Nel corso del primo e del secondo secolo dopo l'era volgare, Plutarco ha fornito una descrizione di molti riflessi sugli specchi sferici. Ha anche coperto il processo di creazione di immagini ingrandite e diminuite, sia reali che fittizie, incluso il caso della chiralità delle immagini.
I concetti che i greci avevano riguardo all'ottica furono ripresi e ampliati da autori del mondo musulmano durante il Medioevo. Al-Kindi, che visse intorno all'anno 801 e morì intorno all'873, fu uno dei primi di questi. Parlò dei vantaggi delle idee aristoteliche ed euclidee dell'ottica, ma credeva che la teoria dell'emissione fosse superiore poiché poteva quantificare meglio i fenomeni ottici. Ibn Sahl, un matematico persiano, scrisse il trattato "Sugli specchi e le lenti che bruciano" nell'anno 984. In questo lavoro, ha descritto accuratamente una legge di rifrazione paragonabile alla legge di Snell. Applicando questa formula, è stato in grado di determinare le forme più efficaci per lenti e specchi curvi. A partire dall'inizio dell'XI secolo, Alhazen (Ibn al-Haytham) scrisse il Libro dell'Ottica, noto anche come Kitab al-manazir. In questo lavoro, ha indagato i concetti di riflessione e rifrazione e ha presentato un nuovo sistema per spiegare la visione e la luce che si basava sull'osservazione e sulla sperimentazione. In alternativa, propose l'idea che la luce si riflettesse in tutte le direzioni in linea retta da tutti i punti degli oggetti osservati e poi entrasse nell'occhio, nonostante il fatto che non fosse in grado di spiegare correttamente come l'occhio catturasse i raggi. Rifiutò la "teoria dell'emissione" dell'ottica tolemaica, che affermava che l'occhio era responsabile dell'emissione dei raggi. Intorno all'anno 1200 d.C., il libro di Alhazen fu tradotto in latino da un traduttore sconosciuto, nonostante fosse praticamente dimenticato nel mondo arabo. Fu poi ulteriormente riassunto ed elaborato dal monaco polacco Witelo, il che lo portò a diventare un classico trattato di ottica in Europa per i successivi quattrocento anni.
Un'epistemologia della luce, una metafisica o cosmogonia della luce, un'eziologia o fisica della luce e una teologia della luce, che si basava sulle opere di Aristotele e del platonismo, erano alcuni degli argomenti che venivano discussi negli scritti del vescovo inglese Robert Grosseteste, che visse nel XIII secolo nell'Europa medievale. Grossatesta scrisse su una vasta gamma di argomenti scientifici. Ruggero Bacone, il più noto seguace di Grossatesta, scrisse scritti che citavano un'ampia varietà di opere tradotte di recente nel campo della filosofia e dell'ottica. Queste opere includevano opere di Alhazen, Aristotele, Avicenna, Averroè, Euclide, al-Kindi, Tolomeo, Tideo e Costantino l'Africano. Attraverso l'uso di frammenti di sfere di vetro come lenti d'ingrandimento, Bacon fu in grado di dimostrare che la luce viene riflessa dagli oggetti piuttosto che essere rilasciata da essi.
Nell'anno 1286, l'Italia fu il luogo di nascita del primo paio di occhiali che potevano essere indossati.
La molatura e la lucidatura delle lenti per questi "occhiali" fu l'inizio dell'attività ottica, che ebbe inizio a Venezia e Firenze nel XIII secolo. Più tardi, i centri di produzione di occhiali sia nei Paesi Bassi che in Germania iniziarono a produrre occhiali. Piuttosto che basarsi sulla primitiva teoria ottica dell'epoca, che, per la maggior parte, non era in grado di spiegare adeguatamente come funzionavano gli occhiali, i produttori di occhiali svilupparono tipi migliorati di lenti allo scopo di correggere la vista. Queste lenti sono state sviluppate sulla base di conoscenze empiriche acquisite osservando gli effetti delle lenti. Questo sviluppo pratico, la padronanza e la sperimentazione con le lenti portarono direttamente all'invenzione del microscopio ottico composto intorno all'anno 1595, così come del telescopio...
