ОПТИКА

ОПТИКА (греч. optike - наука о зрительных
восприятиях, от optos - видимый, зримый), раздел физики, в к-ром изучаются
природа оптического излучения (свет а), его распространение и явления,
наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптич. излучение представляет
собой электромагнитные волны, и поэтому О.- часть общего учения
об электромагнитном поле. Оптич. диапазон длин волн охватывает ок.
20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами,
а
с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно
и в значит, степени определяется общностью технич. средств и методов исследования
явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные
на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических
предметов с помощью приборов, линейные размеры к-рых много больше длины
волны X излучения, а также использование приёмников света,
действие
к-рых основано на его квантовых свойствах.

По традиции О. принято подразделять на
геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика
оставляет
в стороне вопрос о природе света, исходит из эмпирич. законов его распространения
и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся
на границах сред с разными оптич. свойствами и прямолинейных в оптически
однородной среде. Её задача - математически исследовать ход световых лучей
в среде с известной зависимостью преломления показателя п от координат
либо, напротив, найти оптич. свойства и форму прозрачных и отражающих сред,
при к-рых лучи проходят по заданному пути.

Методы геометрич. О. позволяют изучить
условия формирования оптич. изображения объекта как совокупности изображений
отд. его точек и объяснить мн. явления, связанные с прохождением оптич.
излучения в различных средах (напр., искривление лучей в земной атмосфере
вследствие непостоянства её показателя преломления, образование миражей,
радуг и т. п.). Наибольшее значение геометрич. О. (с частичным привлечением
волновой О., см. ниже) имеет для расчёта и конструирования оптич. приборов
- от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономич. инструментов.
Благодаря развитию и применению вычислит, математики методы таких расчётов
достигли высокого совершенства и сформировалось отд. направление, получившее
назв. вычислительной О.

По существу отвлекается от физич. природы
света и фотометрия, посвящённая гл. обр. измерению световых величин.
Фотометрия
представляет собой методич. основу исследования процессов испускания, распространения
и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения.
Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим
глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением этих закономерностей
занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и
исследующая зрительный анализатор (от глаза до коры головного мозга)
и механизмы зрения.

Физическая О. рассматривает проблемы, связанные
с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные
электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных
исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света
и
распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика, Оптическая
анизотропия). Совокупность явлений, в к-рых проявляется
волновая природа
света, изучается в крупном разделе физич. О.- волновой О. Её математич.
основанием служат общие уравнения классич. электродинамики - Максвелла
уравнения. Свойства среды при этом характеризуются макроскопич. материальными
константами - диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью,
входящими в уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти константы
однозначно определяют показатель преломления среды:

n =корень еN.

Феноменологич. волновая О., оставляющая
в стороне вопрос о связи величин e и N (обычно известных из опыта)
со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирич. законы геометрич.
О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической, волновая
О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только
при размерах формирующих или рассеивающих световые пучки систем " Л (длины
волны света), но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях
решение конкретных задач методами волновой О. оказывается чрезвычайно сложным.
Поэтому получила развитие квазиоптика (особенно применительно к
наиболее длинноволновому участку спектра оптич. излучения и смежному с
ним т. н. субмиллиметровому поддиапазону радиоизлучения), в к-рой процессы
распространения, преломления и отражения описываются геомстрооптически,
но в к-рой при этом нельзя пренебрегать и волновой природой излучения.
Геометрич. и волновой подходы формально объединяются в геометрич. теории
дифракции, в к-рой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым
лучам геометрич. О. постулируется существование различного типа дифрагированных
лучей.

Огромную роль в развитии волновой О. сыграло
установление связи величин е и N с молекулярной и кристаллич. структурой
вещества (см. Кристаллооптика, Металлооптика, Молекулярная оптика).
Оно
позволило выйти далеко за рамки феноменологич. описания оптич. явлений
и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих
и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптич. характеристиками,
а также зависимость от X оптич. свойств сред - их дисперсию, влияние на
световые явления в средах давления, темп-ры, звука, электрич.и магнитного
полей и мн. др.

В классич. волновой О. параметры среды
считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно, оптич.
процессы описываются линейными (дифференциальными) уравнениями. Выяснилось,
однако, что во мн. случаях, особенно при больших интенсивностях световых
потоков, это предположение несправедливо; при этом обнаружились совершенно
новые явления и закономерности. В частности, зависимость показателя преломления
от напряжённости поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества)
приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред
при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков
(самофокусировка
света и его самодефокусировка), к изменению спектрального состава света,
проходящего через такую (нелинейную) среду (генерация оптических гармоник),
к взаимодействию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных
частот, выделенных направлений преимущественного распространения света
(параметрич. явления, см. Параметрические генераторы света) и т.
д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей развитие
в связи с созданием лазеров.

Хорошо описывая распространение света в
материальных средах, волновая О. не смогла удовлетворительно объяснить
процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта,
фотохимич.
превращений молекул, закономерностей спектров оптических
и пр.)
и общие термодинамич. соображения о взаимодействии электромагнитного поля
с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула)
может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать
её от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте
излучения v (см. Излучение). Поэтому световому электромагнитному
полю необходимо сопоставить поток квантов света - фотонов, распространяющихся
в вакууме со скоростью света с = 2,99*10¹⁰ см/сек.
Фотоны
обладают энергией hv, импульсом с абс. величиной hv/c
и массой
hv/c² (их масса покоя равна нулю, см. Масса),
а
также спином h/2Пи; здесь h = 6,65*10^-27эрг/сек -Планка
постоянная. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая
изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптич. излучением,
равна энергии фотона, а в более сложном - сумме или разности энергий неск.
фотонов (см. Многофотонные процессы). Явления, в к-рых при взаимодействии
света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются
квантовой О. методами, развитыми в
квантовой механике и квантовой
электродинамике, а оптич. явления, не связанные с изменением собственных
состояний квантовых систем (напр., давление света, Доплера эффект),
могут трактоваться в рамках как классич. волновых, так и фотонных представлений.

Двойственность природы света (наличие одновременно
характерных черт, присущих и волнам, и частицам) - частное проявление корпускулярно-волнового
дуализма, свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира
(например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового
дуализма, впервые сформулированная именно для оптич. излучения, окончательно
утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см.
Дифракция
частиц) и лишь нек-рое время спустя была экспериментально подтверждена
для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения - радиоизлучения
(квантовая электроника, квантовая радиофизика). Открытие квантовых
явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой
и О. Сначала в радиофизике, а затем в физич. О. сформировалось новое направление,
связанное с генерированием вынужденного излучения
и созданием квантовых
усилителей и квантовых генераторов
излучения (мазеров и
лазеров). В отличне от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых
и люминесцентных) источников, излучение лазеров в результате управления
полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется
упорядоченностью (когерентностью).
Оно отличается высокой монохроматичностью
(дельта v/v 10^-13, см. Монохроматический свет),
предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при
фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников
плотности излучения (10¹⁸вm*см^-2*cmep^-1).
Появление
лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение
новых направлений физич. О. Большую роль стали играть исследования статистики
излучения (статистическая O.)i были открыты новые нелинейные и нестационарные
явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных
пучков света и управления ими (когерентная О.) и т. д. Особую важность
приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество
(до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества
на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании
оптич. элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых
оптич. материалов, к-рые пропускают интенсивные световые потоки, сами не
повреждаясь (с и л о в а я О.).

Все разделы О. имели и имеют многочисл.
практич. применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих
мест на произ-ве, зрелищ, исто-рич. и архит. памятников и пр. решаются
светотехникой
на основе геометрич. О. и фотометрии, учитывающей законы физиологич.
О.; при этом используются достижения физич. О. (напр., для создания люминесцентных
источников света) и оптич. технологии (изготовление зеркал, светофильтров,
экранов и т. д.). Одна из важнейших традиционных задач О.- получение
изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так
и по распределению яркости (и к о н и к а), решается гл. обр. геометрической
О. с привлечением физич. О. (для установления разрешающей способности
приборов и систем, учёта зависимости показателя преломления от i.
- дисперсии света и др.). Геометрич. О. даёт ответ на вопрос, как следует
построить оптич. систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась
бы также в виде точки при сохранении геометрич. подобия изображения объекту.
Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных
оптич. системах (см. Аберрации оптических систем). Для построения
оптич. систем существенна технология изготовления оптич. материалов (стёкол,
кристаллов, оптич. керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технология
обработки оптич. элементов. Из технологич. соображений чаще всего применяют
линзы и зеркала со сферич. поверхностями, но для упрощения
оптич. систем и повышения качества изображений при высокой светосиле
используют и асферич. оптич. элементы.

Новые возможности получения оптич. образов
без применения фокусирующих систем даёт голография, основанная на
однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд
и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля с
учётом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают
дополнит, когерентное поле и фиксируют (на фоточувствит. слое или др. методами)
возникающую при этом интерференционную картину. При рассматривании полученной
т. о. голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получается объёмное
изображение предмета.

Появление источников интенсивных когерентных
световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она
находит применение при решении мн. науч. и технич. проблем. С помощью голографии
получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном
освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в
телах и т. д.

Оптич. явления и методы, разработанные
в О., широко применяются для ана-литич. целей и контроля в самых различных
областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального
анализа и люминесцентного анализа, основанные на связи структуры
атомов и молекул с характером их спектров испускания и поглощения, а также
спектров комбинационного рассеяния света. По виду спектров и их
изменению со временем или под действием на вещество внеш. факторов можно
установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, темп-ру
вещества, исследовать, кинетику протекающих в нём физич. и химич. процессов.
Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового
её направления - лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный
анализ используют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и
физике моря, химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук
- искусствоведении, криминалистике и пр.

Чрезвычайно высокая точность измерит, методов,
осн. на интерференции света, обусловила их большое практич. значение. Интерферометры
широко
применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных
линий, определения показателей преломления прозрачных сред, абс. и
относит, измерений длин, измерений угловых размеров звёзд и др. космич.
объектов (см. Звёздный интерферометр). В пром-сти интерферометры
используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших
смещений, обнаружения по малым изменениям показателя преломления непостоянства
темп-ры, давления или состава вещества и т. д. Созданы лазерные интерферометры
с уникальными характеристиками, резко расширившие возможности интерференционных
методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения
лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе
ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисл. поляризационных
приборов. По изменению степени поляризации (деполяризации) света при
рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях
в
веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной
передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Широко
применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений
в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в к-ром эти (механич.) напряжения
определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через
тело света. В кристаллооптике поляризац. методы используются для изучения
структуры кристаллов, в химич. пром-сти - как контрольные при производстве
оптически-активных
веществ (см. также Сахариметрия), в минералогии
и петрографии
- для идентификации минералов, в оптич. приборостроении - для повышения
точности отсчётов приборов (напр., фотометров).

Широкое распространение получили высокочувствит.
спектральные
приборы с дифракционной решёткой в качестве диспергирующего
элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры
и др.),
использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах
в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а
также создать акустооптич. модуляторы света (см. Модуляция света).

Оптич. методы, заключающиеся в анализе
рассеяния
света (особенно мутными средами), имеют большое значение для
молекулярной физики и её приложений. Так, нефелометрия
даёт возможность
получать данные о межмолекулярном взаимодействии
в растворах, определять
размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров,
а также частиц
в коллоидных системах, взвесях и аэрозолях.
Последнее весьма
важно для атмосферной оптики, оптики красок и порошков. Ценные сведения
об энергетич. структуре молекул и свойствах тел дают изучение комбинационного
рассеяния света, Мандельштама - Бриллюэна рассеяния и вынужденного
рассеяния света, обнаруженного благодаря использованию лазеров.

Очень широка сфера практич. применения
приборов, основанных на квантовых оптич. явлениях - фотоэлементов и
фотоэлектронных
умножителей, усилителей яркости изображения (электроннооптических
преобразователей), передающих телевизионных трубок и т. д. Фотоэлементы
используются не только для регистрации излучения, но и как устройства,
преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-,
радио- и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). Фотохимлч. процессы
лежат в основе фотографии и изучаются в спец. области, пограничной
между химией и О.,- фотохимии. Помимо исследования процессов внутри-
и межмолекулярной передачи энергии, фотохимия уделяет большое внимание
преобразованию и запасанию световой (напр., солнечной) энергии и изменению
оптич. свойств веществ под действием света (ф о т о х р о м и я). На основе
фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения
информации для нужд вычислит, техники и созданы защитные светофильтры с
автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности.
Получение мощных потоков монохроматич. лазерного излучения с разными длинами
волн открыло пути к разработке оптич. методов разделения изотопов и стимулирования
направленного протекания химич. реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные
применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологич.
объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение).
В
технике использование лазеров привело к появлению оптич. методов обработки
материалов (см. Лазерная технология). Благодаря возможности с помощью
лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами порядка десятков
микрон большие мощности излучения, интенсивно развивается оптич. метод
получения высокотемпературной плазмы с целью осуществления
управляемого
термоядерного синтеза.

Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники.
Первоначально
она понималась как замена электронных элементов в счётно-решающих и др.
устройствах оптическими. Затем (к концу 60 - нач. 70-х гг. 20 в.) стали
разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислительной
техники и обработки информации, исходящие из принципов голографии,
и предлагаться новые технич. решения, основанные на применении микрооптич.
устройств (интегральная О.). С появлением лазеров новое развитие получили
оптич. далыюмерия (см. Светодалъномер, Электрооптический дальномер),
оптическая локация и оптическая связь. В них широко используются
элементы управления световым лучом электрическими сигналами (см. Модуляция
света). Принципы действия мн. из этих элементов основаны на изменении
характера поляризации света при его прохождении через электро- или магнито-активные
среды (см. Магнитооптика, Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект,
Электрооптика). Оптич. дальномеры применяются в геодезич. практике,
при строительных работах, в качестве высотомеров и пр. Методами
оптич. локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными
спутниками Земли по линиям лазерной оптич. связи осуществляются телефонные
переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым
затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптич. видеосвязи.

Практически нет ни одной области науки
или техники, в к-рой не использовались бы оптические методы, а во многих
из них О. играет определяющую роль.

Исторический очерк. О.- одна из древнейших
наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития.
Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии
за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Др. Египте при строит, работах.
Пифагор
в 6 в. до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела
становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. Аристотель
(4
в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между
объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления
радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона
были
сформулированы два важнейших закона геометрич. О.- прямолинейность лучей
света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до
н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении
от зеркал. Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как
науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли
законы его прямолинейного распространения и отражения (к а т о п т р и
к а) и умели ими пользоваться.

Второй важный шаг состоял в понимании законов
преломления света {диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя.
Диоптрич. опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в. н. э.), о применении
стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (ок.
400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения
о преломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса
тогда состояла гл. обр. в его непосредств. связи с точностью астрономич.
наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ни Птолемею,
ни араб, учёному Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитый трактат
по О., ни даже Г. Галилею и И. Кеплеру. Вместе с тем в ср.
века уже хорошо были известны эмпирич. правила построения изображений,
даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13
в. появились очки. По нек-рым данным, ок. 1590 3. Янсен (Нидерланды)
построил первый двухлинзовый микроскоп. Первые же наблюдения с помощью
телескопа,
изобретённого Галилеем в 1609, принесли ряд замечат. астрономич. открытий.
Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены
лишь ок. 1620 В. Снеллиусом (см. Снелля закон преломления)
и Р.
Декартом, изложившим их в "Диоптрике" (1637). Этим (и последующей
формулировкой Ферма принципа) был завершён фундамент построения
и практич. использования геометрич. О.

Дальнейшее развитие О. связано с открытиями
дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди; публикация 1665)
и двойного лучепреломления (дат. учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся
истолкованию в рамках геометрич. О., и с именами И. Ньютона, Р.
Гука
и X. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность
световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал
предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц,
действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механич. свойствами
среды - переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением
световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности
и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление
и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия
(Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать
свет как колебания самого эфира, т. к. в то время на этом пути не удавалось
удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию
света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую из классич.
опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация
- "изначальное" свойство света, объясняемое определённой ориентацией световых
частиц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи
и
развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустич.
и оптич. явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы
упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью
(Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук - конечной;
впервые её величину экспериментально определил в 1676 О.
Рёмер, см.
Скорость света). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О., не потерявшим
ценности до сих пор, является Гюйгенса - Френеля принцип,
согласно
к-рому каждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться
как источник вторичных (сфсрич.) волн; огивоющая (поверхность) вторичных
волн представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие
моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волновое истолкование
законов отражения и преломления. Из его теории следовало правильное выражение
для показателя преломления: nv
(где vи v - скорости света в 1-й
и 2-й средах), в то время как у Ньютона (и Гука) получалось обратное (не
соответствующее действительности) отношение vГюйгенс
объяснил также двойное лучепреломление. Говоря о световых волнах, Гюйгенс
не придавал им буквального смысла и не пользовался понятием длины волны.
Он игнорировал явление дифракции, считая, что свет распространяется прямолинейно
даже через сколь угодно малое отверстие, и не рассматривал поляризацию
света. Не упоминает он и об описанных в 1675 Ньютона кольцах - интерференционном
эффекте, прямо свидетельствовавшем о периодичности световых колебаний,
а не об их импульсном, как он полагал, характере. Т. о., сформулировав
фундаментальный принцип волновой О., Гюйгенс не разработал последоват.
волновую теорию света, к-рая выдержала бы противопоставление воззрениям
Ньютона. По этой причине и вследствие большого научного авторитета Ньютона
корпускулярная "теория истечения" последнего (её приверженцы придали ей
категоричность, не свойственную высказываниям самого Ньютона) сохраняла
гоо подствующее положение в О. до нач. 19 в., хотя нек-рые крупные учёные,
напр. Л. Эйлер и М. В. Ломоносов, отдавали предпочтение волновым
представлениям о природе света. Путь к победе волновой О. открыли работы
Т. Юнга и О. Френеля. В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции,
позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. Полосы равной толщины)
и
послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Опираясь
на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса и не только
дал удовлетворит, волновое объяснение прямолинейности распространения света,
но и объяснил многочисл. дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго
было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу,
не интерферируют; это дало основания Юнгу и (независимо) Френелю высказать
существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из к-рой
Френель построил волновую теорию кристаллооптич. явлений. Т. о., все известные
к тому времени оптич. явления получили волновую интерпретацию. Однако и
в этом "триумфальном шествии" были трудности, т. к. детальная разработка
представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила
к необходимости искусств, теоретич. построений (так, эфир приходилось наделять
свойствами твёрдого тела, в к-ром, тем не менее, могли свободно перемещаться
тела). Эти трудности были радикально разрешены лишь при последоват. развитии
учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Максвелл, исходя
из открытий М. Фарадея, пришёл к выводу, что свет представляет собой
не упругие, а электромагнитные волны. Позже, в нач. 20 в. выяснилось, что
для их распространения не нужен эфир.

Первым указанием на непосредств. связь
электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1846) вращения плоскости
поляризации света в магнитном поле (Фарадея эффекта). Далее
было установлено, что отношение электромагнитной и электростатич. единиц
силы
тока по абс. величине и размерности совпадает со скоростью света с
(В. Вебер и Ф. Колърауш, 1856). Максвелл теоретически
показал, а Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения
электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью.
В прозрачной среде скорость света v = с/n = с/корень из (en), т.
е. определяется диэлектрич. и магнитной проницаемостями среды. Вначале
не удавалось объяснить в рамках электромагнитной теории известные к тому
времени зависимости показателя преломления п от длины волны Л излучения,
используя взятые из опыта значения е и д. Со времён Ньютона была известна
нормальная дисперсия - возрастание п с уменьшением Л. С позиций
упругой волновой теории света она была объяснена Френелем и О. Коши.
Но
в 1862 франц. физик Ф. Леру обнаружил участок дисперсионной кривой, на
к-ром п увеличивался с ростом Л. Впоследствии А. Кундт показал,
что такая (аномальная) дисперсия свойственна очень мн. веществам и связана
с поглощением ими света. Возникло представление о веществе как совокупности
упругих осцилляторов (резонаторов), с к-рыми взаимодействует свет
(В. Зельмейер, 1872). Развивая эту идею и рассматривая влияние вынужденных
колебаний осцилляторов под действием света на скорость его распространения,
Г. Гелъмгольц (1874) дал полную теорию дисперсии в рамках ч упругой"
теории света. В 90-х гг. 19 в. П. Друде, Гельмгольц и в особенности
X. Лоренц при построении электронной теории вещества объединили
идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представление
об электронах, к-рые входят в состав атомов и молекул и способны совершать
в них колебания, позволило описать мн. оптич. явления, в т. ч. нормальную
и аномальную дисперсию, т. к. в электронной теории значение е зависит от
частоты (длины волны) электромагнитного поля. Наиболее точные опыты по
аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали результаты,
хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением
представлений о том, что излучение и поглощение света определяется поведением
электронов в атомах, явилось открытие в 1896 П. Зееманом и истолкование
в 1897 Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения
атомов (Зеемана эффекта). В полном согласии с теорией Максвелла
оказалась и величина давления света, мысль о котором впервые высказал в
1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца.
В земных условиях величина этого давления была впервые измерена П. Н. Лебедевым
в
1899. Построение электромагнитной теории света и дополнение её электронной
теорией взаимодействия света и вещества явилось следующим (после победы
волновой теории в нач. 19 в.) существенным шагом в развитии О. Электромагнитная
теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории.
Экспериментальными
основаниями для этого были данные оптич. опытов с движущимися средами и
движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие
теоретич. представлениям. Юнг в 1804 показал, что волновая теория требует
для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого
Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя
преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы
тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплён Физо опытом.
Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках
электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако
классич. Майкелъсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неоднократно
повторявшийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения ("эфирного
ветра"). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде
- переносчике электромагнитных колебаний, нашли своё объяснение в созданной
А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905),
приведшей к кардинальному пересмотру мн. положений классич. физики и, в
частности, окончательно устранившей необходимость в эфире - гипотетич.
среде-переносчике света.

Плодотворность классич. электродинамич.
теории света Максвелла - Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем,
напр, в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937)
эффекта Черенкова - Вавилова излучения (открытого в 1934), в выдвижении
Д. Габором (1948) идеи голографии (с записью волнового поля в одной
плоскости), в разработке оригинального направления трёхмерных голограмм,
начало к-рому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962) и т. д.

Несмотря на успехи электродинамич. теории,
выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения
и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности
выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения
по длинам волн теплового излучения (излучения абсолютно чёрного
тела). Рассматривая эту принципиальную проблему, М. Планк пришёл
к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула)
отдаёт энергию электромагнитному полю или получает её от него не непрерывно,
а порциями, пропорциональными частоте колебаний, - квантами. Утверждение
Планка противоречило классическим представлениям и перенесло идею прерывности
(дискретности) на процессы испускания и поглощения света. Развитие идеи
Планка не только дало удовлетворительное решение проблемы теплового излучения,
но и заложило основы всей совр. квантовой физики. Работы Планка и Эйнштейна
(1905), к-рый приписал квантам света - фотонам, кроме энергии, также
импульс и массу, вернули О. мн. черты корпускулярных представлений. Электромагнитное
поле (его интенсивность) в квантовой О. определяет вероятность обнаружения
фотона, а структура поля отражает квантовую структуру ансамбля элементарных
излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени.
Т. о., при сохранении физич. смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания
света и существующие, только двигаясь со скоростью света, приобрели черты
материальных частиц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а
поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если же фотон не
поглощается, взаимодействуя с частицей (напр., свободным электроном), или
он отражается от макроскопич. тела (напр., неподвижного или движущегося
зеркала), он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абс. величину скорости)
в соответствии с законами соударения двух материальных тел. Фотонные представления
позволили Эйнштейну объяснить осн. законы фотоэффекта, впервые исследованные
А. Г. Столетовым в 1888- 1890, и дать ясную трактовку фотохимич.
превращений. Они позволяют наглядно истолковать существование коротковолновой
границы в тормозном излучении электронов (макс, энергия фотона равна
энергии электрона), Комптона эффект (открытый в 1922), стоксовский
сдвиг частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте
возбуждающего света, комбинационное рассеяние света (открытое в
1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо
Ч. В. Романом) и огромное число др. явлений взаимодействия света
с веществом, известных ко времени формирования квантовой теории и открытых
в последующие годы. Поэтому переход к квантовым представлениям был след,
существ, шагом в О., к-рую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать
изолированно от квантовой физики вообще. В совр. О. квантовые представления
не противополагаются волновым, а органически сочетаются в квантовой
механике и квантовой электродинамике. Исключительное значение
квантовая механика имеет для спектроскопии, позволившей получить обширные
сведения о строении атомов, молекул и конденсированных сред, а также о
протекающих в них процессах. Это стало возможным благодаря развитию квантовой
теории в трудах Н. Бора, М. Борна, Э. Шрёдингера, В.
Гейзенберга,
В. Паули, П. Дирака, Э. Ферми, Л. Д. Ландау,
В. А. Фока и мн. др. физиков. Квантовая теория позволила дать интерпретацию
спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрич., магнитных
и акустич. полей на спектры, установить зависимость характера спектра от
условий возбуждения и т. д. Примером обратного влияния О. на развитие самой
квантовой теории может служить вызванное необходимостью объяснения спектральных
закономерностей открытие собств. момента количества движения - спина
- и связанного с ним собств. магнитного момента у электрона (С. Гаудсмит,
Дж. Уленбек, 1925) и др. частиц и ядер атомов, повлекшее за
собой установление Паули принципа (1925) и, в свою очередь, истолкование
сверхтонкой структуры спектров (Паули, 1928). Т. о., построение
двух из наиболее фундаментальных теорий совр. физики - квантовой механики
и специальной теории относительности - было стимулировано в первую очередь
проблемами, возникшими при развитии О., и основывалось на наблюдении и
анализе оптич. явлений.

Примером успехов новой О. является оптическая
ориентация (ориентация магнитных моментов) атомов фотонами, отдающими
им свой спин при поглощении (А. Кастлер, 1953). Наиболее важное
событие совр. О.- экспериментальное обнаружение и создание методов генерации
вынужденного
излучения атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916 (см. также
Излучение). Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший
переход, и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих
(т. н. активная среда с инверсией населённостей энергетических состояний
атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться, т. е.
происходит усиление исходного светового потока (оптич. сигнала). Добавление
к такому квантовому усилителю оптич. обратной связи
(напр.,
путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает
его в оптич. квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в
сантиметровом диапазоне длин волн - мазеры) были созданы А. М. Прохоровым,
Н.
Г. Басовым и Ч. Таунсом в 1954. В 1960 был построен первый
лазер на рубине, вскоре в том же году - первый газоразрядный лазер на смеси
гелия и неона, а в 1962 - полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих
работ была немедленно оценена и за ними последовали многочисленные исследования
свойств вынужденного излучения и возможностей его генерации. Было установлено,
что, используя различные методы получения инверсной населённости, можно
строить лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их
появление стимулировало развитие таких традиционных областей О., как спектроскопия,
люминесценция, фотохимия, привело к возникновению совершенно новых науч.
и технич. направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптич.
обработка материалов) и к модификации уже развивавшихся направлений (напр.,
оптич. связи и оптич. локации), сделало возможным практич. реализацию и
широкое применение ранее высказанных идей (голография), позволило распространить
методы О. на решение задач, не свойственных ей раньше (напр., проблема
управляемого
термоядерного синтеза), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную
наукам, находящимся на переднем крае знаний.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4
изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3-); Б о р н М., Вольф Э., Основы
оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Т у д о р о в с к и й А. И., Теория
оптических приборов, 2 изд., ч. 1-2, М.-Л., 1948-52; Г е р ц б е р г е
р М., Современная геометрическая оптика, пер. с англ., М., 1962; Квазиоптика,
пер. с англ., под ред. Б. Каценеленбаума и В. Шевченко, М., 1966; С о р
о к о Л. М., Основы голографии и когерентной оптики, М., 1971; Бломберген
Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Действие излучения большой
мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Ельяшевича, М.,
1970; Г а р б у н и М., Физика оптических явлений, пер. с англ., М., 1967;
Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Вавилов
С. И., Экспериментальные основания теории относительности, М.- Л., 1928;
Ньютон И., Оптика..., 2 изд., М., 1954; К а л в е р т Дж., П и т т с Д
ж., Фотохимия, пер. с англ., М., 1968; Е л ь я ш е в и ч М. А., Атомная
и молекулярная спектроскопия, М., 1962; 3 о м м е р ф е л ь д А., Оптика,
пер. с нем., М., 1953; Л о р е н т ц Г. А., Теория электронов и ее применение
к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., М., 1953; К л а у
д е р Дж., Сударшан Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970;
Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950. А. М. Бонч-Бруевич.