Какво е оптика?

Много пъти започвах този пост така: “Светлината е”. И стигах до там. Светлината е… каква? Бърза? Могъща? Опасна? Красива? Жизнено необходима? Светлината със сигурност е всичко това и много повече. Всъщност правилният въпрос за физиката не е “каква”, а “какво” е светлината. Интересуваме се от характеристиките и свойствата й, както и от явленията, свързани с взаимодействието й с веществото. Оптиката е тъкмо това — наука, имаща за цел да впримчи светлината в черупка, отговаряйки на тези въпроси.

В оптиката има три основни направления, определени от основните модели за разпространение на светлината:

• Геометрична оптика — изучава светлината като геометрични лъчи
• Вълнова оптика — изучава светлината като вълни
• Квантова оптика — изучава светлината като частици

Може би тези модели биха изглеждали малко противоречащи си и взаимно изключващи се на човек, който не е внимавал в час по физика. Всъщност истината е, че те представят едно и също нещо — светлината — в различни приближения. Редът на подреждане не е случаен, той е от най-опростения (най-много неща се пренебрегват) към най-конкретния, освен това хронологичният ред на възникване е горе-долу същия.

Следва кратко описание на всеки модел.

Геометрична оптика

Моделът на геометричната оптика е по-скоро математически, отколкото физичен. Той приема, че светлината се движи по права линия, с постоянна скорост в една изотропна (хомогенна) среда. Тази права линия се нарича лъч и се приема, че е с безкрайно малък диаметър. Отклонения от праволинейното движение на светлината може да има само на границата между две среди, като всички те се свеждат до две явления — отражение и пречупване. Като прибавим към тях и поглъщането, ще получим всички процеси, до които се свеждат явленията, които могат да се наблюдават в приближението на геометричната оптика. Ще пиша по-подробно за отражението, пречупването и поглъщането в отделен пост.

Макар и доста опростен, в определени граници този модел наистина описва добре разпространението на светлината. Това, че геометричната оптика пренебрегва наистина много неща, е по-скоро скоро предимство, отколкото недостатък. Поради естеството си, геометричната оптика предоставя възможност за развитието на относително прост, но мощен математически апарат за изчисляване на сложни оптични системи, а именно матрична оптика. Всичко това важи само в областта на приложимост, разбира се.

Вълнова оптика

Не е случайно, че този модел е наричан още физична оптика — в него наистина има много повече физика, отколкото в предния модел. Правият лъч от геометричната оптика тук е “накъдрен” и всъщност не е никакъв лъч, а вълна. Вълната пък освен посока и скорост има още много параметри, като например честота/период, дължина на вълната, амплитуда и поляризация. Сега вече, отчитайки тези характеристики, можем да описваме редица красиви явления, като дисперсия, дифракция и интерференция. Разбира се, има още много и все интересни процеси, много от които са от областта на нелинейната оптика. Надявам се постепенно да стигна до там и да разкажа за някои нелинейни ефекти, но преди това трябва да въведа по-прецизно някои от понятията, които сега така небрежно нахвърлям тук.

Квантова оптика

Колкото и хубав и физичен да е моделът на вълновата оптика, той не може да обясни някои явления като фотоефкета, например. Това налага въвеждането на модела на квантовата оптика, който постулира, че светлината се излъчва и поглъща на точно определени порции — фотони. Винаги се излъчват или поглъщат цели фотони, няма как да бъде излъчен половин фотон или да бъдат погълнати седем осми от фотона. Тук няма да се впускам в обяснения как точно моделът на квантовата оптика обяснява фотоефекта. Важно сега е да се подчертае, че фотоните са частици и това не е в разрез с вълновата теория, а напротив, допълва я. “Как точно?” е въпрос, занимавал физиците години наред. Не съм подготвен да хвърля светлина по въпроса, вместо това само ще направя мъглата по-гъста като кажа, че светлината понякога се държи като сноп частици, а друг път като вълна. Това явление е известно още като дуализъм вълна-частица.

Области на приложимост

Всяка една от трите теории за светлината е валидна и дава добри резултати в своята област на приложимост, а извън нея или е напълно неприложима, или прилагането й е неоправдано.

Геометричната оптика е валидна единствено, когато можем да пренебрегнем дължината на вълната и не се интересуваме от поляризацията на светлината. Да пренебрегнем дължината на вълната означава обектите, с които светлината взаимодейства по някакъв начин да са с много по-големи размери от дължината на вълната, която е от порядъка на 5.10^-7m. Повечето оптични елементи отговарят на това условие. Поляризацията заслужава повече внимание, затова ще я оставя настрана засега.

Там, където геометричната теория не работи, идва на помощ вълновата. Тя е валидна и там, където геометричната може да свърши работа, но не винаги е целесъобразно да се използва, понеже би усложнила сметките. Вълновата теория не може да даде резултати, когато става въпрос за единични фотони, взаимодействащи си с единични електрони. Квантовата оптика описва добре такива взаимодействия, но е непрактично да се прилага, когато е в сила вълновата оптика.

Вместо заключение

Опитах да дам известна представа за оптиката и за различните теории за светлината. Всяка от трите си има свое място и своя област на приложимост, където е полезна.

Вбъдеще възнамерявам да разкажа по-подробно за различни интересни явления в оптиката, като пътьом ще обяснявам някои по-важни понятия. Надявам се да успея да покажа на по-малко научен език по-интересната страна на оптиката.

Stay tuned!