Основные физические работы в области оптики. В трактате “Дополнения к Виттелию” (1604) изложил основы геометрической оптики и механизм видения. В 1604 сформулировал закон об обратно пропорциональной зависимости освещенности и квадрата расстояния от источника. Сконструировал телескоп – труба Кеплера, описал явление полного внутреннего отражения, получил формулу линзы. Предложил понятие силы как причины ускорения.
Используя наблюдения Т.Браге и свои собственные, открыл три закона движения планет (законы Кеплера), является одним из творцов небесной механики, был активным сторонником учения Коперника. Трактат “Сокращение Коперниковой астрономии” был занесен Ватиканом в список запрещенных книг. В 1627 – последняя крупная работа “Рудольфовы таблицы”, по которым несколько поколений астрономов с высокой точностью вычисляли положение планет в любой момент времени.
Кеплером, по сути, построена современная геометрическая оптика. Обсуждая восприятие изображения, Кеплер приходит к выводу, что глаз не знает, какой путь прошли лучи, а помещает светящуюся точку на их продолжении. Он вводит важный экспериментальный метод, переходя от физиологической оптики к современной геометрической: в эксперименте целесообразнее получать изображение на экране, а не рассматривать его глазом. При исследовании преломления в шаре с использованием диафрагмирования, Кеплер приходит к фундаментальному открытию: одна точка изображения соответствует одной точке предмета, а параллельный пучок сходится в одной точке, которую он назвал фокусом. При рассмотрении механизма зрения Кеплер окончательно делает заключение о формировании перевернутого изображения на сетчатке глаза. Он рассматривает комбинацию линз, четко формулируя положение о том, что изображение от одной линзы является предметом для другой. Эти результаты он применил в конструкции подзорной трубы с выпуклым окуляром (труба Кеплера), а также построил теорию подзорной трубы Галилея.
Кеплер также пытался найти закон преломления, но безуспешно. Закон преломления был экспериментально открыт в 1621 г. голландским ученым Виллебродом Снелиусом (1591-1626). В то же время (1627) с помощью простых геометрических рассуждений к закону преломления пришел Декарт, предложив в соответствии с идеями Альхазена разложить скорость света на две составляющие - вдоль и поперек границы раздела сред. Своим результатам он предваряет философские рассуждения о природе света, но их не понимали даже его истые последователи (Гюйгенс), так они были противоречивы. Тем не менее, на основе полученного закона после проведения оригинальных экспериментов Декарту удалось объяснить образование радуги. Это было получено в результате серии хорошо задуманных, тщательно проведенных и подкрепленных расчетом опытов, которые можно считать образцом физического исследования.
В споре с Декартом о правомерности применения механических аналогий к свету французский математик Пьер Ферма (1608-1665) сформулировал свой принцип, что свет распространяется по пути, проходимом в кратчайшее время, из которого также следует закон преломления Декарта. Он сосредотачивал свое внимание больше на математической стороне задачи, чем на физической. А физические основы у Ферма были шаткими, они подвергались резкой критике, но сам принцип сохранился в физике и истории науки до сих пор.
К числу принципиальных открытий в оптике следует отнести обнаружение явления дифракции - отклонения света итальянским ученым Франческо Мариа Гримальди (1618-1663). Это было сделано в экспериментах на маленьких отверстиях, а также подтверждено в опытах на тонких нитях. В своих объяснениях Гримальди прибегает к аналогии с волнами, образующимися от брошенного в воду камня и огибающими препятствие, т.е. прибегает к волновой гипотезе света. Этим же он объясняет природу цветов по аналогии со звуком, который по Галилею определяется различными колебаниями воздуха. Подобные же опыты в Англии провел Роберт Гук (1635-1703), который также успешно экспериментировал с микроскопом Галилея, в частности заметил окрашивание тонких пленок в пучке света.
Принципиальными с точки зрения конечности скорости света были астрономические наблюдения, т.к. земные эксперименты по способу Галилея в 17 веке не дали положительных результатов. Основные результаты по этому вопросу, полученные при исследовании движения спутников Юпитера, были в окончательном виде сформулированы датским ученым Олафом Ремером (1644-1710).
Первые работы по физике у Ньютона были в области оптики и начинались с 1664 г. В 1672 г. он представил первый доклад в Королевское общество и этот доклад вызвал критические замечания (в частности у Гука) и долгую полемику. Ньютона это очень огорчило, он был человеком весьма раздражительным и чувствительным к критике. Тем не менее, он упорно продолжал свои работы, но свою фундаментальную работу "Оптика" опубликовал лишь в 1704 г., через год после смерти Гука. В этой работе по существу изложены основы современной физической оптики. Прежде всего, следует упомянуть его результаты по дисперсии света и природе цветов, его блестящие опыты с разложением света призмой и смешением цветов. Ньютон разработал зеркальный телескоп, за создание которого он был избран в члены Королевского общества и который стал отправной точкой прогресса инструментальной астрономии. Широко известны его экспериментальные работы в области интерференции, классические кольца Ньютона.
В части интерпретации экспериментальных результатов по оптике Ньютон не придерживался определенной позиции в выборе волновой или корпускулярной теории света, и это вызывало ряд затруднений. Здесь в отличие от механики, он изменяет своим принципам не выдвигать гипотез, его объяснения громоздки и трудновоспринимаемы, а в ряде случаев и ошибочны. В последнем издании своей "Оптики" Ньютон приводит почти одинаковое число аргументов в пользу как волновой, так и корпускулярной концепции. Тем не менее, его в течение 18 века считали приверженцем корпускулярной теории. Это, вероятно, было обусловлено затруднениями волновой теории в объяснении прямолинейности распространения света и преклонением перед механистическими представлениями Ньютона.
Подводя итоги 17 века, следует сказать о вкладе в оптику Гюйгенса, который издал в Лейдене в 1690 г. "Трактат о свете". В этой работе изложены основы волновой теории света с постулированием некоторой эфирной материи. Он предложил принцип построения огибающей волны, который и сегодня известен под его именем. Гюйгенс объяснил явления преломления света, подвел физическую основу под принцип Ферма. Он также интерпретировал двойное лучепреломление, которое было обнаружено в 1669 г. датским ученым Эразмом Бартолином (1635-1698) в опытах с кристаллами исландского шпата.
Из-за огромного авторитета Ньютона и отсутствия решающих научных аргументов в пользу волновой теории в 18 веке в основном придерживались корпускулярной теории света. Однако сохранялись и традиции волновой оптики, поскольку корпускулярная теория все же не могла объяснить многие экспериментальные данные. В частности, Эйлер в работе "Новая теория света и цветов" (1746) считает различную длину волн физической причиной различия цветов.
В 18 веке зарождается фотометрия как самостоятельный раздел оптики. Французским ученым Пьером Бугером (1698-1758) были проведены первые систематические исследования потери интенсивности при прохождении света через среду и предложена конструкция фотометра, а также замечено избирательное поглощение различных цветов и сформулирован экспоненциальный закон поглощения. Основы фотометрии были четко сформулированы немецким математиком и физиком Иоганном Ламбертом (1728-1777) в работе "Фотометрия, или об измерениях и сравнениях света, цветов и тени" (1760). Здесь он вводит понятия яркости и освещенности и выводит основные законы фотометрии о зависимости освещенности от расстояния, угла падения света, характеристик освещающего источника.
После почти векового господства корпускулярной теории в оптике в самом начале 19 века были проведены работы, ознаменовавшие триумф волновой теории. Это сделал в первую очередь Юнг, врач по профессии, но имевший весьма разносторонние интересы.
Юнг Томас (13.06.1773-10.05.1829) – английский ученый, член Лондонского королевского общества (1794, с 1802 - секретарь), Парижской АН. Родился в Милвертоне в семье торговца. С ранних лет обнаружил незаурядные способности: в 2 года бегло читал, в 4 знал на память стихи многих английских поэтов, в 8-9 овладел токарным ремеслом и делал различные физические приборы, к 14 годам познакомился с дифференциальным исчислением по Ньютону, изучил много языков. Учился в Лондонском, Эдинбургском, Геттингенском и Кембриджском университетах, где сначала изучал медицину, а потом физику, одновременно проводя научные исследования. В 1801-03 – профессор Королевского института, с 1811 – врач в больнице Святого Георгия (Лондон), одновременно с 1818 – секретарь бюро долгот, руководил изданием “Морского календаря.
Работы в области оптики, акустики, теплоты, механики, математики, астрономии, геофизики, филологии, зоологии. Объяснил (1793) аккомодацию глаза изменением кривизны хрусталика. В трактате “Опыты по звуку и свету” (1800) провел аналогию между явлениями акустики и оптики, применил принцип суперпозиции и сформулировал принцип интерференции, которым в 1801 объяснил интерференцию, кольца Ньютона. В 1802 сделал первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив два когерентных источника. Показал потерю полуволны при отражении света от более плотной среды. В теории упругости в 1807 ввел модуль растяжения (Юнга). В последние годы составлял египетский словарь.