Historia de la óptica - History of optics

La óptica comenzó con el desarrollo de lentes por los antiguos egipcios y mesopotámicos , seguido de las teorías sobre la luz y la visión desarrolladas por los antiguos filósofos griegos , y el desarrollo de la óptica geométrica en el mundo grecorromano . La palabra óptica se deriva deltérmino griego τα ὀπτικά que significa "apariencia, mirada". La óptica se reformó significativamente por los desarrollos en el mundo islámico medieval , como los comienzos de la óptica física y fisiológica, y luego avanzó significativamente en la Europa moderna temprana , dondecomenzó la óptica difractiva . Estos estudios anteriores sobre óptica se conocen ahora como "óptica clásica". El término "óptica moderna" se refiere a áreas de investigación óptica que se desarrollaron en gran medida en el siglo XX, como la óptica de ondas y la óptica cuántica .

Historia temprana

En la antigua India , las escuelas filosóficas de Samkhya y Vaisheshika , alrededor del siglo VI-V aC, desarrollaron teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos "sutiles" fundamentales ( tanmatra ) de los que emergen los elementos burdos.

En contraste, la escuela Vaisheshika da una teoría atómica del mundo físico sobre la base no atómica del éter , el espacio y el tiempo. (Ver atomismo indio ). Los átomos básicos son los de tierra ( prthivı ), agua ( apas ), fuego ( tejas ) y aire ( vayu ), que no deben confundirse con el significado corriente de estos términos. Estos átomos se toman para formar moléculas binarias que se combinan aún más para formar moléculas más grandes. El movimiento se define en términos del movimiento de los átomos físicos. Los rayos de luz se toman como una corriente de alta velocidad de átomos de tejas (fuego). Las partículas de luz pueden exhibir diferentes características dependiendo de la velocidad y la disposición de los átomos de tejas . Alrededor del siglo I aC, el Vishnu Purana se refiere a la luz del sol como "los siete rayos del sol".

En el siglo V aC, Empédocles postuló que todo estaba compuesto por cuatro elementos ; fuego, aire, tierra y agua. Él creía que Afrodita hizo el ojo humano de los cuatro elementos y que ella encendió el fuego en el ojo que brillaba desde el ojo haciendo posible la vista. Si esto fuera cierto, entonces se podría ver durante la noche tan bien como durante el día, por lo que Empédocles postuló una interacción entre los rayos de los ojos y los rayos de una fuente como el sol. Afirmó que la luz tiene una velocidad finita.

En la antigua China también se lograron importantes desarrollos separados en óptica.

En su Óptica, el matemático griego Euclides observó que "las cosas que se ven bajo un ángulo mayor parecen más grandes, y las que están bajo un ángulo menor, menos, mientras que las que están bajo ángulos iguales parecen iguales". En las 36 proposiciones que siguen, Euclides relaciona el tamaño aparente de un objeto con su distancia al ojo e investiga las formas aparentes de cilindros y conos cuando se ven desde diferentes ángulos. Pappus creía que estos resultados eran importantes en astronomía e incluyó la Óptica de Euclides , junto con sus Fenómenos , en la Pequeña Astronomía , un compendio de obras más pequeñas que se estudiarán antes de la Sintaxis ( Almagesto ) de Ptolomeo .

En el 55 a. C., Lucrecio , un atomista romano , escribió:

Porque desde cualquier distancia, los fuegos pueden arrojarnos su luz y respirar su cálido calor sobre nuestras extremidades, no pierden nada del cuerpo de sus llamas debido a los espacios intermedios, su fuego no se reduce a la vista.

En su Catoptrica , Hero of Alexandria mostró mediante un método geométrico que el camino real que toma un rayo de luz reflejado desde un espejo plano es más corto que cualquier otro camino reflejado que pueda trazarse entre la fuente y el punto de observación.

En el siglo II Claudio Ptolomeo , en su Óptica, emprendió estudios de reflexión y refracción . Midió los ángulos de refracción entre el aire, el agua y el vidrio, y sus resultados publicados indican que ajustó sus medidas para ajustarse a su (incorrecta) suposición de que el ángulo de refracción es proporcional al ángulo de incidencia .

Los budistas indios , como Dignāga en el siglo V y Dharmakirti en el siglo VII, desarrollaron un tipo de atomismo que es una filosofía sobre la realidad compuesta de entidades atómicas que son destellos momentáneos de luz o energía. Vieron la luz como una entidad atómica equivalente a la energía, similar al concepto moderno de fotones , aunque también vieron toda la materia como compuesta de estas partículas de luz / energía.

Óptica geométrica

Los primeros escritores discutidos aquí trataron la visión más como un problema geométrico que como un problema físico, fisiológico o psicológico. El primer autor conocido de un tratado sobre óptica geométrica fue el geómetra Euclides (c. 325 aC-265 aC). Euclides comenzó su estudio de la óptica como comenzó su estudio de la geometría, con un conjunto de axiomas evidentes.

  1. Se pueden dibujar líneas (o rayos visuales) en línea recta hacia el objeto.
  2. Esas líneas que caen sobre un objeto forman un cono.
  3. Se ven aquellas cosas sobre las que caen las líneas.
  4. Aquellas cosas que se ven bajo un ángulo más grande parecen más grandes.
  5. Aquellas cosas vistas por un rayo superior, parecen superiores.
  6. Los rayos derecho e izquierdo aparecen a derecha e izquierda.
  7. Las cosas vistas desde varios ángulos parecen más claras.

Euclides no definió la naturaleza física de estos rayos visuales pero, utilizando los principios de la geometría, discutió los efectos de la perspectiva y el redondeo de las cosas vistas a distancia.

Donde Euclides había limitado su análisis a la simple visión directa, Héroe de Alejandría (c. 10-70 d. C.) extendió los principios de la óptica geométrica para considerar problemas de reflexión (catóptricos). A diferencia de Euclid, Hero ocasionalmente comentaba sobre la naturaleza física de los rayos visuales, indicando que procedían a gran velocidad desde el ojo hasta el objeto visto y se reflejaban en superficies lisas, pero podían quedar atrapados en las porosidades de superficies sin pulir. Esto se conoce como teoría de las emisiones .

Hero demostró la igualdad del ángulo de incidencia y la reflexión sobre la base de que este es el camino más corto desde el objeto hasta el observador. Sobre esta base, pudo definir la relación fija entre un objeto y su imagen en un espejo plano. Específicamente, la imagen parece estar tan detrás del espejo como el objeto realmente está frente al espejo.

Al igual que Hero, Ptolomeo en su Óptica (conservada solo en la forma de una traducción latina de una versión árabe gravemente defectuosa) consideraba que los rayos visuales procedían del ojo al objeto visto, pero, a diferencia de Hero, consideraba que los rayos visuales no eran líneas discretas, pero formaron un cono continuo. Tolomeo extendió el estudio de la visión más allá de la visión directa y reflejada; También estudió la visión por rayos refractados (dioptrías), cuando vemos objetos a través de la interfaz entre dos medios de diferente densidad. Realizó experimentos para medir la trayectoria de la visión cuando miramos del aire al agua, del aire al vidrio y del agua al vidrio y tabuló la relación entre los rayos incidente y refractados.

Sus resultados tabulados se han estudiado para la interfaz aire-agua y, en general, los valores que obtuvo reflejan la refracción teórica dada por la teoría moderna, pero los valores atípicos están distorsionados para representar el modelo a priori de Ptolomeo de la naturaleza de la refracción.

En el mundo islámico

Reproducción de una página del manuscrito de Ibn Sahl que muestra su descubrimiento de la ley de refracción, ahora conocida como ley de Snell .

Al-Kindi (c. 801–873) fue uno de los primeros escritores ópticos importantes del mundo islámico . En una obra conocida en occidente como De radiis stellarum , al-Kindi desarrolló una teoría "que todo en el mundo ... emite rayos en todas direcciones, que llenan el mundo entero".

Esta teoría del poder activo de los rayos influyó en estudiosos posteriores como Ibn al-Haytham , Robert Grosseteste y Roger Bacon .

Ibn Sahl , un matemático activo en Bagdad durante la década de 980, es el primer erudito islámico conocido que ha compilado un comentario sobre la óptica de Ptolomeo . Su tratado Fī al-'āla al-muḥriqa "Sobre los instrumentos en llamas" fue reconstruido a partir de manuscritos fragmentarios de Rashed (1993). El trabajo se ocupa de cómo los espejos curvos y las lentes se doblan y enfocan la luz. Ibn Sahl también describe una ley de refracción matemáticamente equivalente a la ley de Snell . Usó su ley de refracción para calcular las formas de lentes y espejos que enfocan la luz en un solo punto del eje.

Alhazen (Ibn al-Haytham), "el padre de la óptica"

Ibn al-Haytham (conocido como Alhacen o Alhazen en Europa Occidental), escribiendo en la década de 1010, recibió tanto el tratado de Ibn Sahl como una traducción árabe parcial de la Óptica de Ptolomeo . Realizó un análisis exhaustivo y sistemático de las teorías ópticas griegas. El logro clave de Ibn al-Haytham fue doble: primero, insistir, en contra de la opinión de Ptolomeo, que la visión se produjo debido a rayos que entraron en el ojo; el segundo fue definir la naturaleza física de los rayos discutidos por escritores ópticos geométricos anteriores, considerándolos como las formas de luz y color. Luego analizó estos rayos físicos de acuerdo con los principios de la óptica geométrica. Escribió muchos libros sobre óptica, sobre todo el Libro de Óptica ( Kitab al Manazir en árabe ), traducido al latín como De aspectibus o Perspectiva , que difundió sus ideas en Europa Occidental y tuvo una gran influencia en los desarrollos posteriores de la óptica. Ibn al-Haytham fue llamado "el padre de la óptica moderna".

Avicena (980-1037) coincidió con Alhazen en que la velocidad de la luz es finita, ya que "observó que 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 estuvo de acuerdo en que la luz tiene una velocidad finita y afirmó que la velocidad de la luz es mucho más rápida que la velocidad del sonido .

Abu 'Abd Allah Muhammad ibn Ma'udh , que vivió en Al-Andalus durante la segunda mitad del siglo XI, escribió una obra sobre óptica traducida posteriormente al latín como Liber de crepisculis , que se atribuyó erróneamente a Alhazen . Este fue un "trabajo breve que 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 sobre la base de este y otros datos la altura del humedad atmosférica responsable de la refracción de los rayos del sol ". A través de sus experimentos, obtuvo el valor de 18 °, que se acerca al valor moderno.

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) continuaron la obra de Ibn al-Haytham, y se encontraban entre los primero en dar las explicaciones correctas del fenómeno del arco iris . Al-Fārisī publicó sus hallazgos en su Kitab Tanqih al-Manazir ( La revisión de la óptica [de Ibn al-Haytham] ).

En la Europa medieval

El obispo inglés 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. Grosseteste reflejó un período de transición entre el platonismo del saber medieval temprano y el nuevo aristotelismo , por lo que tendió a aplicar las matemáticas y la metáfora platónica de la luz en muchos de sus escritos. Se le ha atribuido el mérito de discutir 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.

Dejando a un lado las cuestiones de la epistemología y la teología, la cosmogonía de la luz de Grosseteste describe el origen del universo en lo que podría describirse libremente como una teoría medieval del "big bang". Tanto su comentario bíblico, el Hexaemeron (1230 x 35), como su científico On Light (1235 x 40), se inspiraron en Génesis 1: 3, "Dios dijo, hágase la luz", y describieron el proceso posterior de la creación. como un proceso físico natural que surge del poder generativo de una esfera de luz en expansión (y contracción).

Diagrama óptico que muestra la refracción de la luz mediante un recipiente de vidrio esférico lleno de agua. (de Roger Bacon, De multiplicatione specierum )

Su consideración más general de la luz como un agente primario de causalidad física aparece en sus On Lines, Angles and Figures donde afirma que "un agente natural propaga su poder de sí mismo al receptor" y en Sobre la naturaleza de los lugares donde señala que "cada acción natural varía en fuerza y ​​debilidad a través de la variación de líneas, ángulos y figuras".

El Inglés franciscana , Roger Bacon (c. 1214-1294) fue fuertemente influenciado por los escritos de Grosseteste en la importancia de la luz. En sus escritos ópticos ( Perspectiva , De multiplicatione specierum y De speculis comburentibus ) citó una amplia gama de obras ópticas y filosóficas recientemente traducidas, incluidas las de Alhacén , Aristóteles , Avicena , Averroes , Euclides , al-Kindi , Ptolomeo. , Tideus y Constantino el Africano . Aunque no fue un imitador servil, extrajo su análisis matemático de la luz y la visión de los escritos del escritor árabe Alhacen. Pero añadió a esto el concepto neoplatónico, quizás extraído de Grosseteste, de que todo objeto irradia un poder ( especie ) mediante el cual actúa sobre los objetos cercanos adecuados para recibir esas especies . Tenga en cuenta que el uso óptico de Bacon del término " especie " difiere significativamente de las categorías de género / especie que se encuentran en la filosofía aristotélica.

Varias obras posteriores, incluido el influyente Tratado moral sobre el ojo (en latín: Tractatus Moralis de Oculo ) de Pedro de Limoges (1240-1306), ayudaron a popularizar y difundir las ideas que se encuentran en los escritos de Bacon.

Otro franciscano inglés, John Pecham (fallecido en 1292) se basó en el trabajo de Bacon, Grosseteste y una amplia gama de escritores anteriores para producir lo que se convirtió en el libro de texto más utilizado sobre Óptica de la Edad Media, la Perspectiva communis . Su libro se centró en la cuestión de la visión, en cómo vemos, más que en la naturaleza de la luz y el color. Pecham siguió el modelo establecido por Alhacen, pero interpretó las ideas de Alhacen a la manera de Roger Bacon.

Al igual que sus predecesores, Witelo (nacido alrededor de 1230, muerto entre 1280 y 1314) se basó en el extenso cuerpo de obras ópticas recientemente traducidas del griego y el árabe para producir una presentación masiva del tema titulada Perspectiva . Su teoría de la visión sigue a Alhacen y no considera el concepto de especie de Bacon , aunque algunos pasajes de su trabajo demuestran que fue influenciado por las ideas de Bacon. A juzgar por el número de manuscritos supervivientes, su obra no fue tan influyente como las de Pecham y Bacon, pero su importancia y la de Pecham crecieron con la invención de la imprenta.

Teodorico de Freiberg (ca. 1250-ca. 1310) fue uno de los primeros en Europa en proporcionar la explicación científica correcta para el fenómeno del arco iris , así como Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) y su alumno Kamāl al- Dīn al-Fārisī (1260-1320) mencionado anteriormente.

Renacimiento y principios de la Edad Moderna

Johannes Kepler (1571-1630) retomó la investigación de las leyes de la óptica en su ensayo lunar de 1600. Tanto los eclipses lunares como los solares presentaban fenómenos inexplicables, como tamaños de sombra inesperados, el color rojo de un eclipse lunar total y, según se informa, luz inusual que rodea un eclipse solar total. Problemas relacionados con la refracción atmosférica aplicados a todas las observaciones astronómicas. Durante la mayor parte de 1603, Kepler detuvo su otro trabajo para centrarse en la teoría óptica; el manuscrito resultante, presentado al emperador el 1 de enero de 1604, se publicó como Astronomiae Pars Optica ( La parte óptica de la astronomía ). En él, Kepler describió la ley del cuadrado inverso que gobierna la intensidad de la luz, la reflexión de espejos planos y curvos y los principios de las cámaras estenopeicas , así como las implicaciones astronómicas de la óptica como el paralaje y los tamaños aparentes de los cuerpos celestes. Astronomiae Pars Optica generalmente se reconoce como la base de la óptica moderna (aunque la ley de refracción está notoriamente ausente).

Willebrord Snellius (1580-1626) encontró la ley matemática de refracción , ahora conocida como ley de Snell , en 1621. Posteriormente, René Descartes (1596-1650) mostró, mediante el uso de la construcción geométrica y la ley de refracción (también conocida como ley de Descartes ), que el radio angular de un arco iris es 42 ° (es decir, el ángulo subtendido en el ojo por el borde del arco iris y el centro del arco iris es 42 °). También descubrió de forma independiente la ley de la reflexión , y su ensayo sobre óptica fue la primera mención publicada de esta ley.

Christiaan Huygens (1629-1695) escribió varios trabajos en el área de la óptica. Estos incluyeron la Opera reliqua (también conocida como Christiani Hugenii Zuilichemii, dum viveret Zelhemii toparchae, opuscula posthuma ) y el Traité de la lumière .

Isaac Newton (1643-1727) investigó la refracción de la luz, demostrando que un prisma podría descomponer la luz blanca en un espectro de colores, y que una lente y un segundo prisma podrían recomponer el espectro multicolor en luz blanca. También mostró que la luz de color no cambia sus propiedades al separar un rayo de color y alumbrarlo sobre varios objetos. Newton señaló que independientemente de si se reflejaba, se dispersaba o se transmitía, seguía siendo del mismo color. Por lo tanto, observó que el color es el resultado de los objetos que interactúan con la luz ya coloreada en lugar de los objetos que generan el color en sí mismos. Esto se conoce como teoría del color de Newton . A partir de este trabajo, concluyó que cualquier telescopio refractor sufriría la dispersión de la luz en colores, e inventó un telescopio reflector (hoy conocido como telescopio newtoniano ) para evitar ese problema. Al pulir sus propios espejos, utilizando los anillos de Newton para juzgar la calidad de la óptica de sus telescopios, pudo producir un instrumento superior al telescopio refractor, debido principalmente al diámetro más amplio del espejo. En 1671, la Royal Society pidió una demostración de su telescopio reflector. Su interés lo animó a publicar sus notas sobre el color , que luego amplió en sus Opticks . Newton argumentó que la luz está compuesta de partículas o corpúsculos y se refractan acelerando hacia el medio más denso, pero tuvo que asociarlos con ondas para explicar la difracción de la luz ( Opticks Bk. II, Props. XII-L). Los físicos posteriores, en cambio, favorecieron una explicación puramente ondulatoria de la luz para explicar la difracción. La mecánica cuántica de hoy , los fotones y la idea de la dualidad onda-partícula tienen solo un parecido menor con la comprensión de Newton de la luz.

En su Hipótesis de la luz de 1675, Newton postuló la existencia del éter para transmitir fuerzas entre partículas. En 1704, Newton publicó Opticks , en el que expuso su teoría corpuscular de la luz. Consideraba que la luz estaba formada por corpúsculos extremadamente sutiles, que la materia ordinaria estaba hecha de corpúsculos más groseros y especuló que a través de una especie de transmutación alquímica "¿No son los Cuerpos groseros y la Luz convertibles entre sí ... y es posible que los Cuerpos no reciban mucho? de su actividad de las partículas de luz que entran en su composición? "

Óptica difractiva

Esbozo de Thomas Young de difracción de dos rendijas, que presentó a la Royal Society en 1803.

Los efectos de la difracción de la luz fueron cuidadosamente observados y caracterizados por Francesco Maria Grimaldi , quien también acuñó el término difracción , del latín diffringere , 'romperse en pedazos', refiriéndose a la ruptura de la luz en diferentes direcciones. Los resultados de las observaciones de Grimaldi se publicaron póstumamente en 1665. Isaac Newton estudió estos efectos y los atribuyó a la inflexión de los rayos de luz. James Gregory (1638-1675) observó los patrones de difracción causados ​​por una pluma de pájaro, que fue efectivamente la primera red de difracción . En 1803, Thomas Young hizo su famoso experimento observando la interferencia de dos rendijas poco espaciadas en su interferómetro de doble rendija . Al explicar sus resultados por la interferencia de las ondas que emanan de las dos rendijas diferentes, dedujo que la luz debe propagarse como ondas. Augustin-Jean Fresnel realizó estudios y cálculos de difracción más definitivos, publicados en 1815 y 1818, y por lo tanto brindó un gran apoyo a la teoría ondulatoria de la luz que había sido propuesta por Christiaan Huygens y revitalizada por Young, en contra de la teoría de partículas de Newton.

Lentes y fabricación de lentes

Existe evidencia arqueológica en disputa del uso de lentes en la antigüedad, que abarca varios milenios. Se ha sugerido que las cubiertas de vidrio para los ojos en los jeroglíficos del Antiguo Reino de Egipto (c. 2686-2181 aC) eran lentes de menisco de vidrio simples y funcionales. De manera similar, la llamada lente Nimrud , un artefacto de cristal de roca que data del siglo VII a. C., puede haber sido utilizada como lupa o puede haber sido una decoración.

El registro escrito más antiguo de aumentos se remonta al 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". . También se dice que el emperador Nerón vio los juegos de gladiadores usando una esmeralda como lente correctiva.

Ibn al-Haytham (Alhazen) escribió sobre los efectos del agujero de alfiler , lentes cóncavas y lentes de aumento en el 1021 dC libro de Óptica . Las obras escritas sobre óptica del fraile inglés Roger Bacon en las décadas de 1260 o 1270, basadas en parte en las obras de escritores árabes, describían la función de los lentes correctivos para la visión y las gafas quemadas. Estos volúmenes fueron esbozos para una publicación más grande que nunca se produjo, por lo que sus ideas nunca tuvieron una difusión masiva.

Entre los siglos XI y XIII se inventaron las " piedras de lectura ". A menudo utilizados por los monjes para ayudar a iluminar manuscritos, estos eran lentes plano-convexos primitivos inicialmente hechos cortando una esfera de vidrio por la mitad. A medida que se experimentaron con las piedras, se comprendió lentamente que los lentes menos profundos aumentaban de manera más efectiva. Alrededor de 1286, posiblemente en Pisa, Italia, se fabricó el primer par de anteojos, aunque no está claro quién fue el inventor.

Los primeros telescopios en funcionamiento conocidos fueron los telescopios refractores que aparecieron en los Países Bajos en 1608. Se desconoce su inventor: Hans Lippershey solicitó la primera patente ese año, seguida de una solicitud de patente de Jacob Metius de Alkmaar dos semanas más tarde (ninguna de las dos se concedió desde que los ejemplos del dispositivo parecía ser numeroso en ese momento). Galileo mejoró enormemente estos diseños el año siguiente. A Isaac Newton se le atribuye la construcción del primer telescopio reflector funcional en 1668, su reflector newtoniano .

Los primeros ejemplos conocidos de microscopios compuestos, que combinan una lente objetivo cerca del espécimen con un ocular para ver una imagen real , aparecieron en Europa alrededor de 1620. El diseño es muy similar al del telescopio y, como ese dispositivo, se desconoce su inventor. Una vez más, las afirmaciones giran en torno a los centros de fabricación de espectáculos en los Países Bajos, incluidas las afirmaciones de que fue inventado en 1590 por Zacharias Janssen y / o su padre, Hans Martens, afirma que fue inventado por el fabricante de anteojos rival, Hans Lippershey, y afirma que fue inventado por el expatriado Cornelis. Drebbel, que se destacó por tener una versión en Londres en 1619. Galileo Galilei (también citado a veces como inventor del microscopio compuesto) parece haber descubierto después de 1609 que podía enfocar de cerca su telescopio para ver objetos pequeños y, después de ver un microscopio compuesto construido de Drebbel expuesto 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.

Óptica cuántica

La luz está formada por partículas llamadas fotones y, por lo tanto, está cuantificada de forma inherente. La óptica cuántica es el estudio de la naturaleza y los efectos de la luz como fotones cuantificados. La primera indicación de que la luz podría cuantificarse provino de Max Planck en 1899 cuando modeló correctamente la radiación del cuerpo negro asumiendo que el intercambio de energía entre la luz y la materia solo se producía en cantidades discretas que él llamó cuantos. Se desconocía si la fuente de esta discreción era la materia o la luz. En 1905, Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico . Parecía que la única explicación posible del efecto era la cuantificación de la luz misma. Más tarde, Niels Bohr demostró que los átomos solo podían emitir cantidades discretas de energía. La comprensión de la interacción entre la luz y la materia derivada de estos desarrollos no solo formó la base de la óptica cuántica, sino que también fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. Sin embargo, los subcampos de la mecánica cuántica que se ocupan de la interacción materia-luz se consideraron principalmente como investigación de la materia más que de la luz y, por lo tanto, se habló más bien de física de átomos y electrónica cuántica .

Esto cambió con la invención del máser en 1953 y el láser en 1960. La ciencia del láser, la investigación de los principios, el diseño y la aplicación de estos dispositivos, 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 convirtió en costumbre.

Como la ciencia del láser necesitaba buenos fundamentos teóricos, y también porque la investigación sobre estos pronto resultó muy fructífera, aumentó el interés por la óptica cuántica. 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 más detallada de la fotodetección y las estadísticas de la luz (ver grado de coherencia ). Esto llevó a la introducción del estado coherente como una descripción cuántica de la luz láser y a la comprensión de que algunos estados de la luz no podían describirse con ondas clásicas. En 1977, Kimble et al. demostró 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 con ciertas ventajas sobre cualquier estado clásico, la luz comprimida . Al mismo tiempo, el desarrollo de cortos y ultracortos de láser pulsos-creada por conmutación Q y modo de bloqueo de las técnicas de abierto el camino para el estudio de inimaginablemente rápidos ( " ultrarrápidos procesos"). Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (por ejemplo, espectroscopía Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último llevó a levitar y posicionar nubes de átomos o incluso pequeñas muestras biológicas en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un rayo láser. Esto, junto con el enfriamiento Doppler, fue la tecnología crucial necesaria para lograr la célebre condensación de Bose-Einstein .

Otros resultados notables son la demostración del entrelazamiento cuántico , la teletransportación cuántica y (recientemente, en 1995) las puertas lógicas cuánticas . Estos últimos son de gran interés en la teoría de la información cuántica , un tema que surgió en parte de la óptica cuántica y en parte de la informática teórica .

Los campos de interés actuales entre los investigadores de óptica cuántica incluyen conversión descendente paramétrica , oscilación paramétrica , pulsos de luz aún más cortos (attosegundos), uso de óptica cuántica para información cuántica , manipulación de átomos individuales y condensados ​​de Bose-Einstein , su aplicación y cómo manipular ellos (un subcampo a menudo llamado óptica atómica ).

Ver también

Notas

Referencias