Historia de la óptica

Empédocles (siglo V a. C.) postuló que todo estaba compuesto de cuatro elementos: fuego, aire, tierra y agua. Creía que Afrodita creó el ojo humano con los cuatro elementos y que encendió el fuego en el ojo, lo hizo posible la visión. De ser así, se podría ver de noche tan bien como de día, por lo que Empédocles postuló que interaccionaban los rayos provenientes de los ojos y los una fuente como el sol. Afirmó que la luz tiene una velocidad finita. ^[2]

Un texto chino del siglo IV a. C., probablemente del filósofo Mozi, describe cómo la luz que pasa a través de un orificio crea una imagen invertida en una "casa del tesoro" o "punto de recolección".

En su Óptica, Euclides observó que «las cosas vistas desde un ángulo mayor parecen mayores, y las vistas desde un ángulo menor, menores, mientras que las vistas desde ángulos iguales parecen iguales». Relaciona el tamaño aparente de un objeto con su distancia al ojo y describe las formas de cilindros y conos vistos desde diferentes ángulos. Pappus incluyó la Óptica de Euclides, junto con sus Fenómenos, en la Pequeña Astronomía, que se estudiaba antes de la Sintaxis (Almagesto ) de Ptolomeo .

En su Catoptrica, Herón de Alejandría demostró geométricamente que el camino recorrido por un rayo de luz reflejado en un espejo plano es más corto que cualquier otro camino que pudiera trazarse entre la fuente, el espejo y el punto de observación.

Los budistas indios, como Dignāga (siglo V) y Dharmakirti (siglo VII), desarrollaron un tipo de atomismo que consideraba los átomos que componen el mundo como destellos momentáneos de luz o energía. Consideraban la luz como una entidad atómica equivalente a la energía y que toda la materia estaba compuesta por partículas de luz/energía.

Al-Kindi (c. 801-873) fue un estudioso pionero de la óptica en el mundo islámico . En una obra conocida en Occidente como De radiis stellarum, al-Kindi desarrolló la teoría de que «todo en el mundo... emite rayos en todas direcciones, que lo llenan todo».

Su teoría del poder activo de los rayos influyó en autores posteriores como Ibn al-Haytham, Robert Grosseteste y Roger Bacon . ^[6]

Ibn Sahl, matemático activo en Bagdad hacia 980, compiló un comentario sobre <i id="mwnw">la Óptica</i> de Ptolomeo. Su tratado Fī al-'āla al-muḥriqa, «Sobre los instrumentos de combustión», fue reconstruido a partir de manuscritos fragmentarios por Rashed (1993). La obra estudia cómo los espejos y lentes curvos desvían y enfocan la luz. Igualmente, describe una ley de refracción matemáticamente equivalente a la ley de Snell . ^[7] Utilizó esta ley de refracción para calcular las formas de lentes y espejos que enfocan la luz en un único punto del eje.

Ibn al-Haytham (conocido como Alhacen o Alhazen), quien escribió en la década del año 1010, conoció tanto el tratado de Ibn Sahl como una traducción árabe parcial de la Óptica de Ptolomeo. Produjo un análisis exhaustivo y sistemático de las teorías ópticas griegas. ^[9] Insistió, en contra de Ptolomeo, en que la visión se produce debido a los rayos que entran en el ojo; por otra parte definió la naturaleza física de los rayos luminosos, considerándolos como las formas de la luz y el color. Analizó estos rayos físicos según los principios de la óptica geométrica. Escribió muchos libros sobre óptica, el más significativo de los cuales es el Libro de Óptica ( Kitab al Manazir en árabe ), traducido al latín como De aspectibus o Perspectiva, que difundió sus ideas y ejerció una gran influencia en los desarrollos posteriores de la óptica. ^[3] Ibn al-Haytham es llamado "el padre de la óptica moderna". ^{[10] [11]}

Avicena (980–1037) pensaba, al igual que Alhacén, que la velocidad de la luz es finita, pues «si la percepción de la luz se debe a la emisión de algún tipo de partículas por una fuente luminosa, la velocidad de la luz debe ser finita». Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) también coincidió en que la luz tiene velocidad finita y afirmó que es mucho mayor que la del sonido.^[12]

Abu 'Abd Allah Muhammad ibn Ma'udh, que vivió en al-Ándalus el siglo XI, escribió una obra sobre óptica titulada en latín Liber de crepisculis, que se atribuyó erróneamente a Alhazen . «Contenía una estimación del ángulo de depresión del sol al comienzo del crepúsculo matutino y al final del crepúsculo vespertino, y un intento de calcular, a partir de este y otros datos, la altura de la humedad atmosférica responsable de la refracción de los rayos solares». Obtuvo un valor de 18°, que se acerca al actual. ^[13]

A finales del siglo XIII y principios del XIV, Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) y su alumno Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1260-1320) fueron de los primeros en ofrecer explicaciones correctas sobre el arcoíris . Al-Fārisī publicó sus hallazgos en su Kitab Tanqih al-Manazir ( La revisión de la Óptica de [Ibn al-Haytham]).

Robert Grosseteste (c. 1175-1253) escribió sobre una amplia gama de temas científicos en la época del origen de la universidad medieval y la recuperación de las obras de Aristóteles. Reflejó la transición entre el platonismo de la erudición medieval temprana y el nuevo aristotelismo, aplicando las matemáticas y la metáfora platónica de la luz en muchos de sus escritos. Analizó la luz desde cuatro perspectivas diferentes: una epistemología de la luz, una metafísica o cosmogonía de la luz, una etiología o física de la luz y una teología de la luz.

Grosseteste describe el origen del universo en lo que podría llamarse una teoría medieval del "big bang". Tanto su comentario bíblico, el Hexaemeron (1230 x 35), como su obra científica Sobre la luz (1235 x 40), se inspiraron en Génesis 1:3: "Dijo Dios: Sea la luz", y describieron el proceso subsiguiente de creación como un proceso físico natural que surge del poder generador de una esfera de luz en expansión y contracción.

En su obra Sobre líneas, ángulos y figuras afirma que «un agente natural propaga su poder desde sí mismo hasta el receptor» y en Sobre la naturaleza de los lugares, donde señala que «toda acción natural varía en fuerza y debilidad a través de la variación de líneas, ángulos y figuras».

El franciscano inglés Roger Bacon (c. 1214-1294) estuvo influenciado por los escritos de Grosseteste sobre la importancia de la luz. En sus escritos sobre óptica (la Perspectiva, el De multiplicatione specierum y el De speculis comburentibus ) citó una amplia gama de obras ópticas y filosóficas recientemente traducidas, incluyendo las de Alhacén, Aristóteles, Avicena, Averroes, Euclides, al-Kindi, Ptolomeo, Tideo y Constantino el Africano. Extrajo su análisis matemático de la luz y la visión del escritor árabe Alhacén. Pero añadió a esto el concepto neoplatónico, quizás proveniente de Grosseteste, de que cada objeto irradia un poder (especie) por el cual actúa sobre los objetos cercanos adecuados para recibir esas especies . El uso por Bacon del término especie difiere de las categorías de género/especie que se encuentran en la filosofía aristotélica.

Varias obras posteriores, como el Tratado moral sobre el ojo (en latín: Tractatus Moralis de Oculo ) de Pedro de Limoges (1240–1306), popularizaron y difundieron las ideas de Bacon. ^[14]

Otro franciscano inglés, John Pecham (fallecido en 1292), se basó en el trabajo de Bacon, Grosseteste y otros para producir el libro de texto sobre óptica más utilizado de la Edad Media, la Perspectiva communis Su libro se centró en la visión, en cómo vemos, más que en la naturaleza de la luz y el color. Pecham siguió el modelo de Alhacén, pero interpretó sus ideas a la manera de Roger Bacon.

Al igual que sus predecesores, Witelo (nacido alrededor de 1230, fallecido entre 1280 y 1314) se basó las obras ópticas recientemente traducidas del griego y del árabe para producir un estudio titulado Perspectiva Su teoría de la visión sigue la de Alhacén y no considera el concepto de especie de Bacon. Su obra no fue tan influyente como las de Pecham y Bacon; sin embargo, su importancia, y la de Pecham, aumentó con la invención de la imprenta.

Teodorico de Friburgo (ca. 1250–ca. 1310) fue uno de los primeros en proporcionar la explicación correcta del fenómeno del arco iris, ^[15]al igual que Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311) y su alumno Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1260–1320) ya mencionados.

Johannes Kepler (1571-1630) retomó la investigación óptica a partir de su ensayo lunar de 1600. ^[3] Tanto los eclipses lunares como los solares presentaban fenómenos inexplicables, como tamaños de sombra inesperados, el color rojo de un eclipse lunar total y la luz inusual que rodeaba un eclipse solar total. La refracción atmosférica afectaba a todas las observaciones astronómicas. Durante 1603, Kepler se centró en la teoría óptica; el manuscrito presentado al emperador el 1 de enero de 1604, se publicó como Astronomiae Pars Optica (La parte óptica de la astronomía). Allí describe la ley del inverso del cuadrado que rige la intensidad de la luz, la reflexión en espejos planos y curvos, y los principios de las cámaras estenopeicas, así como las implicaciones astronómicas de la óptica, como la paralaje y los tamaños aparentes de los cuerpos celestes. Astronomiae Pars Optica se reconoce como la base de la óptica moderna (aunque la ley de refracción está ausente).

Willebrord Snellius (1580-1626) descubrió la ley de la refracción, conocida como ley de Snell, en 1621. Posteriormente, René Descartes (1596-1650) demostró, mediante la construcción geométrica y la ley de la refracción (también conocida como ley de Descartes), que el radio angular de un arco iris es de 42° (es decir, el ángulo subtendido en el ojo por el borde del arco iris y el centro del arcoíris es de 42°). ^[16] Su descubrimiento independiente la ley de la refracción fue la primera versión publicada de esta ley. ^[17]

Christiaan Huygens (1629-1695) publicó sobre óptica, como la Opera reliqua (también conocido como Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii toparchae, opuscula posthuma ) y el Traité de la lumière .

Isaac Newton investigó la refracción de la luz, demostrando que un prisma podía descomponer la luz blanca en un espectro de colores, y que una lente y un segundo prisma podían recomponer la luz blanca. Demostró que la luz coloreada no cambia al separar un haz coloreado y proyectarlo sobre varios objetos. Independientemente de si se reflejaba, dispersaba o transmitía, permanecía del mismo color. En consecuencia, el color es el resultado de la interacción de los objetos con la luz ya coloreada, en lugar de que los objetos generen el color por sí mismos. Esto se conoce como la teoría del color de Newton. Concluyó que cualquier telescopio refractor sufriría la dispersión de la luz en colores. Posteriormente, inventó un telescopio reflector (conocido como telescopio newtoniano ), que usaba un espejo para solucionar el problema. En 1671, la Royal Society solicitó una demostración de su telescopio reflector, publicando sus notas "Sobre el color", que posteriormente amplió en su Opticks . Argumentó que la luz está compuesta de partículas o corpúsculos y se refracta al acelerar hacia un medio más denso, pero tuvo que asociarlos con ondas para explicar la difracción de la luz (Opticks Bk. II, Props. XII-L). Posteriormente, una teoría puramente ondulatoria de la luz explicó la difracción.

En su Hipótesis de la Luz (1675), Newton postuló el éter para transmitir fuerzas entre partículas. En 1704, publicó Óptica, donde expuso su teoría de la luz. Consideraba que la luz estaba compuesta de corpúsculos extremadamente sutiles, mientras que la materia ordinaria estaba compuesta de corpúsculos más densos y especulaba: "¿No son los cuerpos densos y la luz convertibles entre sí? ¿Y no pueden los cuerpos recibir gran parte de su actividad de las partículas de luz que entran en su composición?" ^[18] Newton fue el primero en describir el uso de prismas como expansores de haz y conjuntos de prismas múltiples, que mucho más tarde se emplearían en los primeros láseres sintonizables . ^[19]

Óptica difractiva

Los efectos de la difracción de la luz fueron caracterizados por Francesco Maria Grimaldi, quien también acuñó el término difracción, del latín diffringere, 'romperse en pedazos', refiriéndose a la luz que se descompone en diferentes direcciones. Los resultados de las observaciones de Grimaldi se publicaron póstumamente en 1665. ^{[21] [22]} Isaac Newton estudió estos efectos y los atribuyó a la inflexión de los rayos de luz. James Gregory ( – ) observó los patrones de difracción causados por una pluma de ave, que fue la primera red de difracción . En 1803, Thomas Young demostró la interferencia de las ondas de agua en un tanque de ondulaciones y describió los efectos de difracción de dos rendijas muy espaciadas iluminadas por la luz solar. Dedujo que la luz debe propagarse como ondas. Augustin-Jean Fresnel formuló matemáticamente la difracción (1815 - 1818), apoyando la teoría ondulatoria de la luz que había sido propuesta por Christiaan Huygens y Young, contra la teoría de partículas de Newton. ^[23]

Se ha sugerido el uso de lentes en la antigüedad a lo largo de varios milenios. ^[24] Quizás las cubiertas oculares de vidrio en jeroglíficos del Imperio Antiguo de Egipto (c. 2686–2181 a. C.) eran lentes de vidrio funcionales. ^[25] La llamada lente de Nimrud, de cristal de roca, que data del siglo VII a. C., podría haber sido utilizada como lupa, o haber sido simplemente una decoración. ^{[26] [27] [28] [29] [30]}

El registro escrito más antiguo de ampliación es del siglo I d. C., cuando Séneca el Joven, tutor del emperador Nerón, escribió: «Las letras, por pequeñas e indistintas que sean, se ven ampliadas y con mayor claridad a través de un globo o vaso lleno de agua». ^[31] Se dice que Nerón observaba los juegos de gladiadores usando una esmeralda. ^[32]

Ibn al-Haytham (Alhacén) escribió sobre los efectos de las lentes estenopeicas, cóncavas y lupas en su Libro de Óptica, del siglo XI (1021 d. C.). ^{[31] [33] [34]} Roger Bacon, durante las décadas de 1260 y 1270, escribió obras sobre óptica, basadas en parte en las obras de escritores árabes, que describían la función de las lentes correctoras para la visión y las lupas. Planeaba una publicación más extensa que nunca se publicó y sus ideas no difundieron masivamente. ^[35]

Entre los siglos XI y XIII se inventaron las "piedras de lectura ". Usadas por los monjes para iluminar manuscritos, eran lentes plano-convexas, inicialmente fabricadas cortando una esfera de vidrio por la mitad. A medida que se experimentaba, se comprendió que las lentes menos profundas aumentaban con mayor eficacia. Alrededor de 1286, posiblemente en Pisa, se fabricó el primer par de anteojos, aunque se desconoce quién fue su inventor. ^[36]

Los primeros telescopios conocidos fueron los telescopios refractores, que aparecieron en los Países Bajos en 1608. Se desconoce su inventor: Hans Lippershey solicitó la patente ese mismo año, seguida de una solicitud de patente por Jacob Metius, de Alkmaar, dos semanas después (ninguna de las dos fue concedida, ya que los esos dispositivos parecían ser numerosos en aquel momento). Galileo mejoró considerablemente estos diseños al año siguiente. Isaac Newton construyó el primer telescopio reflector en 1668: el reflector newtoniano . ^[37]

Los primeros ejemplos conocidos de microscopios compuestos, que combinan una lente objetivo cerca de la muestra con un ocular, aparecieron en Europa alrededor de 1620. ^[38] El diseño es muy similar al del telescopio y, al igual que este, se desconoce su inventor. El origen se encuentra en los centros de fabricación de gafas en los Países Bajos. Pudo ser inventado en 1590 por Zacharias Janssen y/o su padre, Hans Martens, ^{[39] [40]} el fabricante de gafas rival, Hans Lippershey, ^[41]o el expatriado Cornelis Drebbel, de quien se sabe que tenía una versión en Londres en 1619. ^[42]

Galileo Galilei parece haber descubierto después de 1609 que podía enfocar su telescopio para ver objetos pequeños y, después de ver un microscopio compuesto construido por Drebbel exhibido en Roma en 1624, construyó su propia versión mejorada. El nombre microscopio fue acuñado por Giovanni Faber, quien dio ese nombre al microscopio compuesto de Galileo Galilei en 1625. ^[43]

La luz está compuesta de partículas llamadas fotones y, por lo tanto, cuantizada. La óptica cuántica estudia la naturaleza y los efectos de la luz como fotones cuantizados. Max Planck en 1899 ^{: 231–236} modeló la radiación del cuerpo negro, asumiendo que el intercambio de energía entre la luz y la materia ocurría en cantidades discretas que denominó cuantos. Se desconocía si la fuente de esta discreción era la materia o la luz. ^{[44]: 231–236}En 1905, Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico . Parecía que la única explicación para este efecto era la cuantificación de la propia luz. Posteriormente, Niels Bohr demostró que los átomos solo podían emitir cantidades discretas de energía. La comprensión de la interacción entre la luz y la materia sentó las bases de la óptica cuántica y fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. Sin embargo, las áreas de la mecánica cuántica que abordaban la interacción materia-luz se consideraban principalmente investigaciones sobre la materia más que sobre la luz, por lo que se hablaba más de física atómica y electrónica cuántica .

Esto cambió con la invención del máser en 1953 y del láser en 1960. La ciencia del láser se convirtió en un campo importante, y la mecánica cuántica subyacente a los principios del láser se estudió ahora con más énfasis en las propiedades de la luz, y el nombre de óptica cuántica se volvió habitual.

Siguiendo el trabajo de Dirac en la teoría cuántica de campos, George Sudarshan, Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en las décadas de 1950 y 1960 para obtener una comprensión mejor de la fotodetección y las estadísticas de la luz (grado de coherencia). Esto condujo a la introducción del estado coherente como una descripción de la luz láser y a la evidencia de que algunos estados de la luz no podían describirse con ondas clásicas. En 1977, Kimble y otros demostraron la primera fuente de luz que requería una descripción cuántica: un solo átomo que emitía un fotón a la vez. Pronto se propuso otro estado cuántico de la luz, la luz comprimida . Al mismo tiempo, el desarrollo de pulsos láser cortos y ultracortos, creados mediante técnicas de conmutación Q y bloqueo de modo, abrió el camino al estudio de procesos " ultrarrápidos ". Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (p. ej., la espectroscopia Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último condujo a la levitación y posicionamiento de nubes de átomos o incluso pequeñas muestras biológicas en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un rayo láser. Junto con el enfriamiento Doppler, fue la tecnología necesaria para lograr la condensación de Bose-Einstein .

Otros resultados destacables son la demostración del entrelazamiento cuántico, la teletransportación cuántica y las puertas lógicas cuánticas (1995). Estas últimas fundamentales para la teoría de la información cuántica, un tema que surgió de la óptica cuántica y de la informática teórica.

Los campos de interés actuales entre los investigadores de óptica cuántica incluyen la conversión descendente paramétrica, la oscilación paramétrica, pulsos de luz de attosegundos, el uso de la óptica cuántica para la información cuántica, la manipulación de átomos individuales y condensados de Bose-Einstein, su aplicación y cómo manipularlos (óptica atómica).

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