Optiikka
Historia > Uusi aika

Optisia välineitä oli keksitty jo aikaisemmin, mutta varsinaisesti uuden ajan optiikan tutkimuksen aloitti vasta nykyaikaisen valo-opin isänä pidetty Johannes Kepler. Vuoden 1604 ensimmäisenä päivänä Kepler esitteli keisarille Astronomiæ Pars Optica -teoksen käsikirjoituksen, jonka laatimiseen hän oli saanut aiheen aiemmin tapahtuneista auringon- ja kuunpimennyksistä. Teoksessaan hän väitti valon voimakkuuden olevan kääntäen verrannollinen valonlähteen etäisyyteen ja valonnopeuden olevan äärettömän suuri. Tässä samassa teoksessa Kepler selitti ensimmäisen kerran oikein kuvan muodostumisen verkkokalvolle: kuva on verkkokalvolla väärin päin, koska silmän etuosan linssi kokoaa silmään saapuvan valon ennen verkkokalvoa. Hän yritti selittää myös, miten taitekulma valon taittuessa riippuu tulokulmasta, mutta epäonnistui tässä. Paremmin tässä ongelmassa suoriutui hänen aikalaisensa Willebrord Snellius. Laki nimettiin hänen mukaansa Snellin laiksi, vaikka hän itse ei tulosta julkaissutkaan; sen julkaisi vasta myöhemmin Christiaan Huygens. Nykymuotoonsa lain johti vuonna 1644 filosofi René Descartes. Lopulta Pierre de Fermat täydensi lakia lisäämällä vuonna 1657 siihen yhteyden valon nopeuteen väliaineissa. Kepler auttoi Galileita tämän rakentaman kaukoputken parantamisessa.
Valon käyttäytymistä oli tutkittu jo kauan, mutta edelleen oli epäselvää, mitä valo on ja mistä se koostuu. Askeleen eteenpäin tässä asiassa otti bolognalainen tieteilijä ja jesuiitta Francesco Maria Grimaldi, joka teki tarkkoja mittauksia valon diffraktiosta. Hän myös otti käyttöön ilmiötä kuvaavan sanan. Ensimmäinen viittaus ilmiöön löytyy kuitenkin jo da Vinciltä. Diffraktio innostikin 1600-luvun fyysikkoja selittämään ilmiön syitä. Ensimmäisenä asiaa tutki Robert Hooke, jonka mukaan valoa pitäisi ajatella värähdyksenä. Tämä tiesi valon aaltoteorian syntyä. Sen ohella hän tutki interferenssivärejä, joiden hän uskoi syntyvän eri pinnoista heijastuneiden säteiden yhdistyessä.
Isaac Newton teki kokeita prismalla. Tällöin hän havaitsi, että valo voidaan, paitsi hajottaa spektriksi,  myös koota uudelleen valkoiseksi valoksi. Havainnostaan Newton päätteli valon koostuvan pienistä hiukkasista. Optikkaan oli syntynyt ristiriita; toiset havainnot puolsivat hiukkasteoriaa ja toiset aaltoluonnetta. Newton keräsi matematiikan ja mekaniikan saavutuksillaan niin suuren suosion, että hänen uskottiin olevan oikeassa tässäkin asiassa. Aaltoteorian kannattajat olivat tiedemaailman radikaaleja ja selvä vähemmistö. Näihin radikaaleihin kuului hollantilainen Christiaan Huygens. Hän kannatti aaltoteoriaa ja havaitsi myös valon polarisaation.
Valon nopeutta ei vielä 1600-luvulle mennessä ollut kukaan mitannut. Ensimmäisenä sen sai mitatuksi tanskalainen Ole Rømer. Oli havaittu, että Jupiterin kuut joutuvat joka kierroksella Jupiterin varjoon, niin että tapahtuu pimennys. Kun nämä pimennykset eivät kuitenkaan toistuneet yhtä pitkin väliajoin, Rømer päätteli tämän johtuneen siitä, että Maan ja Jupiterin etäisyys vaihteli riippuen siitä, millä puolella Aurinkoa planeetat kulloinkin olivat, ja koska valolta kului tähän matkaan aikaa, pimennykset toisinaan vain näyttivät viivästyvän. Tällä perusteella hän sai lasketuksi, että valon nopeus oli noin 210 000 km/s. A.-H.-L. Fizeaun mittaukset 1800-luvun puolivälissä näyttivät valolle lähes yli 100 000 km/s suurempaa nopeutta. Myöhemmin nopeus saatiin määriteltyä sähköisten vakioiden avulla. Tämä saatiin ratkaisemalla James Clerk Maxwellin johtamien yhtälöiden avulla sähkömagneettisen säteilyn vaihenopeus:  c={\sqrt {\frac {1}{\epsilon _{0}\mu _{0}}}}\,, jossa ε0 on tyhjiön permittiivisyys ja μ0 on tyhjiön permeabiliteetti. Léon Foucault oli aiemmin vuonna 1850 määrittänyt valon nopeuden ilmassa ja vedessä. Tulokset olivat hiukkasteorian kannalta hankalia: se ennusti vedessä kulkevan valon olevan nopeampi kuin ilmassa, mutta näin ei ollut. Sen myötä hiukkasteoriasta uskallettiin luopua.
1700-luvulla optiikan tutkimus koki jonkinlaisen laman; optiikan perusteet oli luotu eikä suuria läpimurtoja tapahtunut. Käytännöllisellä puolella taas keksittiin akromaattiset linssit, joiden mahdollisuutta Newton vahvasti epäili. Linssityypin keksi ensin vuonna 1733 Chester Moor Hall ja vielä toisen kerran vuonna 1757 John Dollond. Toinen 1700-luvun havainto oli James Bradleyn havaitsema tähtien aberraatio eli tähden näennäinen paikan muutos Maan liikesuunnassa. Sen luultiin olevan viimein ehdoton todiste Newtonin hiukkasteorian paremmuudesta, mutta 1800-luvulla tapahtui käänne.
Brittiläinen yleisnero Thomas Young oli päätynyt tutkimaan valon ominaisuuksia. Hänen vuonna 1801 tekemänsä koejärjestely tunnetaan nykyään kaksoisrakokokeena, jossa valonsäde kulkee ensin yksittäisen raon läpi ja sen jälkeen kahden ohuen pystysuoran raon läpi muutoin valoa läpäisemättömissä levyissä, joiden takana olevan levyn (heijastin, varjostin) pinnalle syntyy interferenssikuvio. Kuvioon vedoten Young osoitti valon olevan todellisuudessa poikittaista aaltoliikettä, eikä koostu hiukkasista kuten Newton oli väittänyt. Aaltoteoria tarvitsi silti lisää tukea, koska useimmat ilmiöt kyettiin selittämään hiukkasteorian avulla. Koe sai kuitenkin aikaan, että aaltoteoriaa alettiin yleisemmin kannattaa.
Vuonna 1800 William Herschel mittasi, kuinka tehokkaasti spektrin eriväriset valot lämmittävät kohteita, joihin ne osuivat. Hän teki uskomattoman havainnon: lämpeneminen oli suurimmillaan kohdassa, jossa ei ollut väriä lainkaan. Tämä vastasi säteitä, joiden aallonpituus oli suurempi kuin punaisella valolla. Herschel oli löytänyt ”näkymättömän valon”, jota nykyisin kutsutaan infrapunaksi. Valoon tuntui kuuluvan aiempaa laajempi alue, jota ihminen ei voi silmin havaita. Sen vuoksi Johan Ritter päätti tutkia, jatkuisiko valo myös violetin alueen ulkopuolelle. Tämän testaamiseksi hän hankki hopeakloridia, jonka hän oli kuullut tummenevan nopeammin sinisen kuin punaisen valon vaikutuksesta. Hän hajotti prisman avulla auringonvalon spektriksi ja asetti hopeakloridia jokaisen värin kohdalle. Hän havaitsi kuulemansa pitävän paikkansa, joten nyt hän asetti hopeakloridia violetin värialueen toisellekin puolelle ja havaitsi hopeakloridin tummenevan siellä vielä nopeammin. Uuden valoalueen hän nimesi ”kemiallisiksi säteiksi”, mutta niitä kutsutaan nykyään ultraviolettisäteilyksi.
Siinä missä 1600-luvulla optiikka kehittyi tähtitieteen vaikutuksessa, niin 1800-luvun puolivälissä se sai vetoapua sähkö- ja magnetismitutkimuksista. Michael Faraday pani merkille, että lineaarisesti polarisoidun valon polarisaatiotaso kääntyy magneettikentässä. Tätä sanotaan Faradayn kiertymäksi. Koska magneettikenttä vaikutti valoon, valolla oli oltava yhteys sähköön ja magnetismiin. Skotti James Clerk Maxwell sittemmin selitti tämän yhtälöidensä avulla: valo oli kapea osa sähkömagneettista säteilyä, minkä todensi kokeellisesti lopulta Heinrich Hertz.