Lịch sử Quang học - Phần 1

Quang học là ngành khoa học vật lí nghiên cứu nguồn gốc và sự truyền của ánh sáng, cách thức nó biến đổi, những hiệu ứng mà nó gây ra, và những hiện tượng khác đi cùng với nó. Có hai ngành quang học. Ngành quang lí nghiên cứu bản chất và các tính chất của ánh sáng. Ngành quang hình học khảo sát các nguyên lí chi phối các tính chất tạo ảnh của thấu kính, của gương, và các dụng cụ khác, thí dụ như các bộ xử lí dữ liệu quang học.

Thấu kính Layard

Tài liệu “Lịch sử Quang học” này trình bày sơ nét những sự kiện và những phát triển quan trọng trong ngành quang học từ thời tiền sử cho đến đầu thế kỉ thứ 21. Nó cũng đề cập tới những phát triển có liên quan trong những lĩnh vực khác (thí dụ như sự phát triển của máy tính điện tử) và các cột mốc có liên quan trong thế giới quan của nhân loại.

Từ thời tiền sử đến năm 999 sau Công nguyên

Những trải nghiệm sớm nhất của loài người với ánh sáng và quang học là thuộc về thế giới tự nhiên: ánh sáng mặt trời, lửa, và các tính chất phản xạ và khúc xạ (bẻ cong ánh sáng) của nước, các tinh thể, và một số chất khác có mặt trong tự nhiên. Lửa là một trong những công cụ sớm nhất được tổ tiên của loài người hiện đại sử dụng, có lẽ từ cách nay khoảng 1,4 triệu năm, nhưng có khả năng nó không được sử dụng để thắp sáng vào ban đêm cho đến cách nay 500.000 năm. Hồi 15.000 năm về trước, loài người đã đốt chất béo và dầu trong các loại đèn để thắp sáng bóng đêm, đó là những dụng cụ nhân tạo đầu tiên dùng để tạo ra ánh sáng.

Đèn đốt dầu nguyên thủy làm từ vỏ động vật

Các kết quả khảo cổ từ những văn minh sơ khai, do Austen Layard thực hiện hồi thế kỉ 19, cho thấy vào năm 3000 trước Công nguyên, loài người ở Trung Đông, châu Phi, và châu Á đã ngày một quan tâm hơn đến các hiện tượng quang học và đã sử dụng chúng cho nhiều mục đích khác nhau. Bóng của vật đã được sử dụng để giải trí trên sân khấu. Các kim loại và tinh thể được cải tạo và định hình để khai thác các tính chất phản xạ và khúc xạ của chúng dùng làm đồ trang trí và trang sức. Việc phát minh ra thủy tinh vào khoảng thời gian này có lẽ đã được tiếp sức bởi những tính chất quang nổi bật của nó. Những đồ tạo tác cổ nhất bằng thủy tinh là những chuỗi hạt thủy tinh dĩ nhiên dùng làm đồ trang sức.

Vào năm 300 trước Công nguyên, các vị học giả người Hi Lạp bắt đầu nghiên cứu và thưởng ngoạn các hiện tượng quang học một cách nghiêm túc, họ đề xuất các lí thuyết giải thích sự nhìn, màu sắc, ánh sáng, và các hiện tượng thiên văn. Nhiều lí thuyết trong số đó hóa ra là không đúng, nhưng chúng thật sự đã khai sinh ra ngành quang học. Người ta tin rằng Plato là người đầu tiên trình bày rõ ràng lí thuyết phát xạ của sự nhìn. Lí thuyết này đã chiếm ưu thế cho đến thiên niên kỉ thứ hai sau Công nguyên. Nó cho rằng mắt người chiếu ra các tia sáng, kiểu như đèn flash, rọi sáng các vật ở phía trước mắt. Khi có cái gì đó chặn mất “tia mắt”, thì kết quả là bóng tối.

Ở phương tây, Euclid xứ Alexandria đã thực hiện những quan sát đầu tiên được ghi nhận lại về quang học và ánh sáng. Ông đã viết một nghiên cứu có chiều sâu về hiện tượng ánh sáng nhìn thấy trong tác phẩm Optica của mình, trong đó ông nêu rõ định luật phản xạ ánh sáng từ các bề mặt nhẵn. Aristotle còn nghiên cứu bản chất của sự nhìn, nhưng ông không tán thành với lí thuyết các tia phát ra từ mắt. Cũng trong khoảng thời gian này, nhà toán học vĩ đại người Sicily, Archimedes, đã nghiên cứu sự phản xạ và khúc xạ, nhưng tác phẩm của ông đã bị thiêu hủy khi người La Mã đánh bại Syracuse.

Ý tưởng về buồng tối, tiền thân của camera, có khả năng nhất là phát sinh ở Hi Lạp cổ đại. Về cơ bản nó là cửa sập trong đó ánh sáng có thể xuyên qua một cái lỗ nhỏ và chiếu vào một căn phòng hay một cái hộp tối, nói chung không có sự hỗ trợ của thấu kính. Trong hàng trăm năm trời, các nhà khoa học đã sử dụng buồng tối đó để quan sát nhật thực mà không gây hại cho mắt họ, và nó vẫn được các nhà khoa học nghiệp dư và công chúng sử dụng cho mục đích đó trong thời đại ngày nay.

Người La Mã ít có sự tiến bộ về quang học, mặc dù Seneca, một vị gia sư và là bạn thân của Hoàng đế La Mã Nero, đã để ý đến tác dụng phóng to ảnh của các chất lỏng đựng trong bình trong suốt. Theo sử sách thì Nero đã từng sử dụng một thấu kính ngọc lục nhẵn để quan sát các đấu sĩ đang chiến đấu.

Trong thế kỉ thứ hai sau Công nguyên, Ptolemy, một nhà thiên văn học ở xứ Alexandria, Ai Cập, đã nghiên cứu và viết lách về nhiều chủ đề khoa học. Đáng chú ý nhất là sự phát triển của ông về thuyết địa tâm của hệ mặt trời, lí thuyết thắng thế trong hơn một nghìn năm sau đó. Ông đã cho in năm cuốn sách về quang học, nhưng chỉ có một quyển còn lưu lại đến thời hiện đại. Loạt sách này dành riêng cho nghiên cứu màu sắc, sự phản xạ, khúc xạ, và các gương có hình dạng khác nhau. Việc thiết lập lí thuyết bằng thí nghiệm, thường được hậu thuẫn bởi việc xây dựng các thiết bị đặc biệt, là đặc điểm nổi trội nhất của tác phẩm Quang học của Ptolemy.

Trước năm 1000 sau Công nguyên, lịch sử còn chứng kiến một số tiến bộ quang học khác nữa. Vị học giả người Arbab tên là Abu Ali Hasan Ibn al-Haitham đã thực hiện nghiên cứu nghiêm túc đầu tiên về các thấu kính ở Basra (Iraq). Ông đã nghiên cứu sự khúc xạ ở các thấu kính, bác bỏ định luật khúc xạ của Ptolemy, và còn tiến hành nghiên cứu về sự phản xạ từ gương cầu và gương parabol. Các tác phẩm của ông là những tác phẩm đầu tiên giải thích sự nhìn một cách đúng đắn, là một hiện tượng ánh sáng đi vào mắt, chứ không phải các tia sáng do mắt phát ra.

Từ thời tiền sử đến năm 999 sau Công nguyên

Phần tiếp theo >>