Optikk, eller lyslære, er den grenen av fysikken som beskriver oppførselen og egenskapene til lys, herunder lysets interaksjon med materie og bygging av optiske instrumenter som bruker lys eller detekterer lys, samt menneskets syn. Optikk beskriver vanligvis oppførselen av synlig-, ultrafiolett- og infrarødt lys. Fordi lys er en type elektromagnetisk stråling, vil andre former for elektromagnetisk stråling som røntgenstråling, mikrobølgeer og radiobølger utvise lignende egenskaper.
De fleste optiske fenomener kan forklares ved hjelp av den klassisk elektromagnetismes beskrivelse av lys. Komplette elektromagnetiske beskrivelser av lys er imidlertid ofte vanskelig å anvende i praksis. Praktisk optikk gjør derfor vanligvis bruk av forenklede modeller. Den vanligste av disse er geometrisk optikk som behandler lys som en samling av stråler som forplanter seg i rette linjer, blir avbøyd når de passerer gjennom eller reflekteres i overflater. Fysisk optikk innebærer en mer omfattende modell av lyset, som inkluderer bølgeeffekter som diffraksjon, som innebærer at lys som sendes gjennom spalter spres i mønstre og interferens, der forskjellige lysbølger kan forsterke eller svekke hverandre, noe som ikke blir gjort rede for i geometriske optikk. Historisk sett ble den strålebaserte modellen av lyset utviklet først, etterfulgt av bølgemodellen. Fremgang i utviklingen av teorien for elektromagnetisme på 1800-tallet førte til oppdagelsen av at lysbølger faktisk er elektromagnetisk stråling.
Noen fenomener med lyset har både bølge og partikkel-lignende egenskaper. Forklaring på disse effektene krever anvendelse av kvantemekanikk. Når man vurderer lysets partikkel-lignende egenskaper, blir lyset modellert som en samling av partikler, kalt fotoner. Kvanteoptikk omhandler anvendelsen av kvantemekanikk på optiske systemer.
Optisk vitenskap er relevant for og blir studert i mange beslektede disipliner av den rene optikk, som astronomi, flere ingeniørvitenskaper, fotografi og medisin (spesielt oftalmologi og optometri). Praktiske anvendelser av optikk finnes i en rekke teknologier. Utnyttelse av optiske fenomener gjøres i en rekke vanlige hjelpemidler som speil, linse, teleskop, mikroskop, laser og fiberoptikk.
Historie De aller tidligste optiske hjelpemidler var linser som ble utviklet i høykulturene i oldtidens Egypt og Mesopotamia. De greske filosofene på sin side var opptatt av teorier for lysets natur, da spesielt synserfaringer. Platon mente at syn har sin årsak i stråler som blir sendt ut av øynene. Andre igjen hadde motsatt oppfatning, nemlig at det menneskelige synet skyldes stråler fra objektene og inn på øynene. Sammenhengen mellom øyet og hvordan et objekt oppfattes som syn har vært et vanskelig tema helt opp til moderne tid. Utover på 1600-tallet ble man i stand til å fremstille briller, uten at man egentlig hadde så mye kunnskap om optikk. Flere av opplysningstidens mest kjente fysikere har gitt viktige bidrag til optikken, spesielt Isaac Newton (1643 – 1727) brakte kunnskapen om lys et langt steg fremover på begynnelsen av 1700-tallet. Stadig mer avanserte oppdagelser ble gjort etter dette, og mange av dagens optiske instrumenter og teorier om lys ble utviklet på 1800-tallet.
Oldtidens linser og filosofiske betraktninger om lysets natur
Optikk begynte med utviklingen av linser i oldtidens Egypt og Mesopotamia. De tidligste kjente linser, laget av polert krystall, ofte kvarts, dateres fra så tidlig som 700 før Kristi fødsel for assyriske linser som Layard-/Nimrudlinsen. De gamle romerne og grekerne fylte glasskuler med vann for å lage objektiver. Disse praktiske innretningene ble fulgt av utviklingen av teorier for lys og syn av de gamle greske og indiske filosofene. Dette førte videre til utviklingen av geometrisk optikk i den antikke verden. Ordet optikk kommer fra gammelgreske ordet , som betyr «utseende, se».
Gresk filosofi om optikk delte seg i to motstridene teorier om hvordan syn skjer, nemlig teorien om «visuell persepsjon» og «emisjonsteorien».A History Of The Eye. stanford.edu. Retrieved 2012-06-10. Teorien om visuell persepsjon forklarte synet ved at gjenstander sender ut kopier av seg selv (kalt eidola) som blir fanget opp av øyet. Tilhengere av denne oppfatningen var filosofer som Demokrit, Epikur, Aristoteles og deres tilhengere igjen. Denne teorien har en viss relasjon til moderne teorier om hva syn egentlig er, men for de greske filosofene forble dette bare spekulasjoner uten noe eksperimentelt grunnlag.
Platon var den første som formulerte emisjonsteorien, idéen går ut på at visuell persepsjon oppstår ved at stråler sendes ut av øynene. Han kommenterte også fenomenet med speilvending i Timaios Noen hundre år senere skrev Euklid en avhandling med tittelen Optikken der han knyttet syn til geometri, dermed skapte han en gren innenfor optikken kalt geometrisk optikk. Han baserte sitt arbeid på Platons emisjonsteori, hvor han beskrev de matematiske reglene for perspektiv. Han beskrev også effektene av lysbrytning kvalitativt, men han stilte også spørsmål ved at en lysstråle fra øyet umiddelbart skulle kunne lyse opp stjernene hver gang noen blunket. Klaudios Ptolemaios beskrev i sin avhandling Optikk en egen emisjonsteori for syn: En stråle (eller fluks) fra øyet danner en kjegle, toppunktet er inne i øyet, og basen definerer det visuelle feltet. Strålene mente han var følsomme, dermed formidlet de informasjon tilbake til observatøren mentalt om avstanden og retningen på overflater. Han oppsummerte mye av Euklid, og fortsatte med å beskrive en måte å måle brytningsvinkelen det som skjer med lys som går gjennom et medium. Imidlertid la han ikke merke til den empiriske sammenhengen mellom lysstrålene og innfallsvinkelen.
Videre utvikling av optikk i middelalderen I middelalderen ble de greske idéene om optikk gjenopptatt og utvidet av forfattere i den muslimske verden. En av de tidligste av disse var Al-Kindi (801 – 73) som arbeidet videre med aristoteliske og euklidske ideer om optikk. Han vektlegger emisjonsteorien siden den bedre kan kvantifisere optiske fenomener.Adamson, Peter (2006). "Al-Kindi¯ and the reception of Greek philosophy". In Adamson, Peter; Taylor, R.. The Cambridge companion to Arabic philosophy. Cambridge University Press. p. 45. ISBN 978-0-521-52069-0. I 984 skrev den persiske matematikeren Abu Sad al-Ala ibn Sahl avhandlingen Om brennende speil og linser. Her blir en riktig lov om lysbryting tilsvarende Snells brytningslov formulert. Han anvender denne loven for å beregne optimale former for linser og sfæriske speil. På begynnelsen av 1000-tallet skrev Al-Haitham Boken om optikk (Kitab al-manazir) hvor han utforsket refleksjon og brytning. I tillegg foreslår han et nytt konsept for å forklare syn og lys basert på observasjon og eksperimenter. Han avviste emisjonsteorien der stråler slippes ut av øyet. I stedet legger han frem ideen om at lyset spres i alle retninger i rette linjer fra alle steder der objektene blir observert og deretter inn i øyet. Dette uten at han selv riktig var i stand til å forklare hvordan øyet fanget lysstråler. Al-Haithams arbeidet ble i stor grad ignorert i den arabiske verden, men det ble oversatt anonymt til latin rundt år 1200. Dermed ble verket videre oppsummert og utvidet av den polske munken Vitelo. På grunn av dette blir verket en standardtekst innenfor optikk i Europa i de neste 400 år.Nader El-Bizri, 'Classical Optics and the Perspectiva Traditions Leading to the Renaissance', in Renaissance Theories of Vision, eds. Charles Carman and John Hendrix (Aldershot: Ashgate, 2010), 11–30; Nader El-Bizri, 'Seeing Reality in Perspective: "The Art of Optics" and the "Science of Painting"', in The Art of Science: From Perspective Drawing to Quantum Randomness, eds. Rossella Lupacchini and Annarita Angelini (Doredrecht: Springer, 2014), pp. 25–47.
På 1200-tallet skrev den engelske biskopen Robert Grosseteste tekster innenfor et bredt spekter av vitenskapelige temaer. Han diskuterer lys fra fire forskjellige perspektiver, som en erkjennelsesteori om lys, en metafysisk eller kosmogonisk, en etiologisk eller fysisk, og en teologisk,D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), pp. 94–99. dette basert på verkene til Aristoteles og platonismen. Grossetestes mest berømte disippel Roger Bacon, skrev verker som siterer et bredt spekter av nylig oversatte optiske og filosofiske verker, inkludert de av Alhazen, Aristoteles, Avicenna, Averroës, Euclid al-Kindi, Ptolemaios, Tideus, og Konstantin den afrikanske. Bacon var i stand til å bruke deler av glasskuler som luper for å vise at lyset reflekteres fra objekter heller enn å sendes ut fra dem.
De første bærbare linser for permanent bruk ble oppfunnet i Italia rundt 1286. Dette var starten på den optiske industrien for sliping og polering av objektiver for briller som utviklet seg i Venezia og Firenze på 1200-tallet.'''The Galileo Project > Science > The Telescope''' by Al Van Helden ''. Galileo.rice.edu. Retrieved 2012-06-10. Senere oppstod denne produksjonen i både Nederland og Tyskland. Brillemakere laget forbedrede linsetyper for korreksjon av syn basert mer på empirisk kunnskap fra observasjoner av effekten av linsene. De benyttet seg ikke av datidens uferdige optiske teori. Teorien på denne tiden kunne knapt nok forklare hvordan briller egentlig fungerte. Den senere utviklingen av praktisk tilnærming og eksperimentering med linser førte til oppfinnelsen av mikroskopet rundt 1595. Senere i 1608 ble refraktorteleskoper oppfunnet. Begge disse oppfinnelsene oppstod i brillemakerverkstedene i Nederland.Microscopes: Time Line, Nobel Foundation. Retrieved April 3, 2009
Utvikling av geometrisk optikk I begynnelsen av 1600-tallet utviklet Johannes Kepler den geometriske optikken videre i sine skrifter. Kepler dekket temaer som linser, refleksjon på flater og buede speil, prinsippene for camera obscura, samt den inverse kvadratlov. Denne loven forklarer hvordan intensiteten av lys reduseres med kvadratet av avstanden, gir optiske forklaringer på astronomiske fenomener som måne- og solformørkelse, samt astronomisk parallakse. Han var også i stand til å utlede rollen som netthinnen har som selve organ som skaper synet. Endelig kunne man vitenskapelig kvantifisere effektene av ulike typer linser som brillemakerne hadde observert over de foregående 300 årene. Etter oppfinnelsen av teleskopet kunne Kepler formulere det teoretiske grunnlaget for hvordan teleskopet virker. Han kunne også beskrive en forbedret versjon, kjent som Keplers teleskop, som består av to konvekse linser for å produsere høyere forstørrelse.Caspar, Kepler, pp. 198–202, Courier Dover Publications, 1993, ISBN 0486676056.
thumb|Omslaget av den første utgaven av Isaac Newtons bok Opticks.
Teorien for optikk fikk stor fremgang på midten av 1600-tallet med Avhandling om lys skrevet av filosofen René Descartes. Her forklares en rekke optiske fenomener som refleksjon og brytning ved en antagelse om at lys er noe som slippes ut av gjenstander som produser det. Dette skilte seg i hovedsak fra den gamle greske emisjonsteorien. På slutten av 1660-årene og begynnelsen av 1670-tallet utvidet Newton Descartes' ideer med emanasjonsteorien for lys. Denne er kjent for å hevde at lys i sin natur består av små partikler som han kalte korpuskler. Dessuten hevdet han at hvitt lys var en blanding av farger som kan deles inn i komponenter ved hjelp av et prisme. I 1690 foreslo Christiaan Huygens en bølgeteori for lys basert på idéer fra Robert Hooke i 1664. Hooke kritiserte offentlig Newtons teorier om lys og feiden mellom de to varte til Hooke døde. I 1704 publiserte Newton Opticks; blant annet på grunn av sin suksess i andre områder av fysikken, ble han generelt ansett for å være seierherren i debatten om lysets natur.