A é o ramo da física que estuda o comportamento, a manipulação e a detecção da radiação eletromagnética, incluindo suas interações com a matéria e com instrumentos que a utilizam ou detectam. A óptica geralmente trata do comportamento da luz visível, ultravioleta e infravermelha. O estudo da óptica estende-se a outras formas de radiação eletromagnética, entre elas as ondas de rádio, as micro-ondas e os raios X. O termo "óptica" também é aplicado à tecnologia usada para manipular feixes de partículas elementares eletricamente carregadas.
A maior parte dos fenômenos ópticos pode ser explicada pela descrição eletromagnética clássica da luz, embora descrições eletromagnéticas completas sejam muitas vezes difíceis de aplicar na prática. A óptica prática costuma recorrer a modelos simplificados. O mais comum deles, a óptica geométrica, trata a luz como um conjunto de raios que se propagam em linha reta e mudam de direção ao atravessar ou refletir em superfícies. A óptica física usa um modelo mais abrangente da luz, que incorpora efeitos ondulatórios como difração e interferência, que não podem ser explicados pela óptica geométrica. Historicamente, o modelo da luz baseado em raios foi desenvolvido antes do modelo ondulatório. O avanço da teoria eletromagnética no século XIX levou à descoberta de que as ondas luminosas eram, na verdade, radiação eletromagnética.
Alguns fenômenos dependem de a luz apresentar propriedades de onda e de partícula, a chamada dualidade onda-partícula. A explicação desses efeitos requer a mecânica quântica. Quando são consideradas as propriedades corpusculares da luz, ela é modelada como um conjunto de partículas chamadas fótons. A óptica quântica trata da aplicação da mecânica quântica aos sistemas ópticos.
A ciência óptica é estudada em disciplinas relacionadas, entre elas a astronomia, diferentes áreas da engenharia, a fotografia e a medicina, em especial métodos radiográficos como a radioterapia externa e a tomografia computadorizada, além dos campos de óptica fisiológica da oftalmologia e da optometria. Aplicações práticas da óptica estão presentes em tecnologias e objetos cotidianos como espelhos, lentes, telescópios, microscópios, lasers e fibras ópticas. Esses elementos costumam ter simetria rotacional. A óptica de forma livre não possui essa simetria.
História
miniatura|direita|A lente de Nimrud
A óptica começou com o desenvolvimento de lentes pelos antigos egípcios e pelos povos da Mesopotâmia. As primeiras lentes conhecidas, feitas de cristal polido, muitas vezes quartzo, remontam a cerca de 2000 a.C. em Creta, onde exemplares são conservados no Museu Arqueológico de Heraclião, na Grécia. Lentes de Rodes datam de cerca de 700 a.C., assim como lentes assírias, entre elas a lente de Nimrud. Os antigos romanos e gregos enchiam esferas de vidro com água para produzir lentes. Esses desenvolvimentos práticos foram seguidos pela elaboração de teorias sobre a luz e a visão por filósofos gregos e indianos e pelo desenvolvimento da óptica geométrica no mundo greco-romano. A palavra "óptica" vem do grego antigo ὀπτική, optikē, com o sentido de "aparência" ou "visão".
A filosofia grega sobre a óptica dividiu-se em duas teorias opostas para explicar o funcionamento da visão, a teoria da intromissão e a teoria da emissão. A teoria da intromissão sustentava que a visão vinha de objetos que liberavam cópias de si mesmos, chamadas eidola, captadas pelo olho. Defendida, entre outros, por Demócrito, Epicuro, Aristóteles e seus seguidores, essa teoria tinha alguns pontos de contato com explicações modernas sobre a visão, mas permaneceu uma especulação sem base experimental.
Platão formulou a teoria da emissão, segundo a qual a percepção visual ocorre por meio de raios emitidos pelos olhos. Também comentou a inversão de paridade produzida pelos espelhos em Timeu. Cerca de um século depois, Euclides, nos séculos IV e III a.C., escreveu um tratado chamado Óptica, no qual relacionou a visão à geometria, criando a óptica geométrica. Baseou seu trabalho na teoria da emissão de Platão, apresentou as regras matemáticas da perspectiva e tratou qualitativamente dos efeitos da refração, embora tenha questionado como um feixe de luz emitido pelo olho poderia iluminar instantaneamente as estrelas cada vez que alguém piscasse. Euclides enunciou o princípio da trajetória mais curta da luz e estudou reflexões múltiplas em espelhos planos e esféricos.
Ptolemeu, em seu tratado Óptica, adotou uma teoria extramissionista-intromissionista da visão. Os raios, ou fluxo, provenientes do olho formariam um cone, com o vértice dentro do olho e a base delimitando o campo visual. Os raios seriam sensíveis e transmitiriam ao intelecto do observador informações sobre a distância e a orientação das superfícies. Ptolemeu reuniu grande parte do trabalho de Euclides e apresentou um método para medir o ângulo de refração, embora não tenha percebido a relação empírica entre ele e o ângulo de incidência. Plutarco, nos séculos I e II d.C., estudou reflexões múltiplas em espelhos esféricos e discutiu a formação de imagens ampliadas e reduzidas, reais e imaginárias, incluindo a quiralidade das imagens.
miniatura|direita|upright|Reprodução de uma página do manuscrito de Ibn Sahl que mostra seu conhecimento da lei da refração
Na Idade Média, ideias gregas sobre óptica foram retomadas e ampliadas por autores do mundo islâmico. Um dos primeiros foi Al-Kindi, por volta de 801 a 873, que escreveu sobre as ideias ópticas de Aristóteles e Euclides e favoreceu a teoria da emissão porque ela permitia quantificar melhor os fenômenos ópticos.Adamson, Peter (2006). "Al-Kindi¯ and the reception of Greek philosophy". Em Adamson, Peter e Taylor, R. The Cambridge companion to Arabic philosophy. Cambridge University Press. p. 45. ISBN 978-0-521-52069-0. Em 984, o matemático persa Ibn Sahl escreveu o tratado "On burning mirrors and lenses", no qual apresentou corretamente uma lei de refração equivalente à lei de Snell. Ele usou essa lei para calcular formas ideais de lentes e espelhos curvos. No início do século XI, Alhazen, ou Ibn al-Haytham, escreveu o Livro de Óptica, Kitab al-manazir, no qual examinou a reflexão e a refração e propôs um novo sistema para explicar a visão e a luz, baseado em observação e experimentação. Rejeitou a teoria da emissão da óptica ptolomaica, na qual os raios eram emitidos pelo olho, e propôs que a luz era refletida em todas as direções, em linhas retas, a partir de todos os pontos dos objetos observados e depois entrava no olho, embora não tenha conseguido explicar corretamente como o olho captava esses raios. O trabalho de Alhazen recebeu pouca atenção no mundo árabe, mas foi traduzido anonimamente para o latim por volta de 1200 e depois resumido e ampliado pelo monge polonês Vitélio. A obra tornou-se um texto de referência sobre óptica na Europa pelos quatro séculos seguintes.
Na Europa medieval do século XIII, o bispo inglês Robert Grosseteste escreveu sobre temas científicos e tratou da luz sob quatro perspectivas, uma epistemologia da luz, uma metafísica ou cosmogonia da luz, uma etiologia ou física da luz e uma teologia da luz,D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, Chicago: University of Chicago Press, 1976, pp. 94–99. com base nas obras de Aristóteles e no platonismo. Seu discípulo Roger Bacon escreveu trabalhos que citavam obras ópticas e filosóficas recém-traduzidas de Alhazen, Aristóteles, Avicena, Averróis, Euclides, Al-Kindi, Ptolemeu, Tideus e Constantino, o Africano. Bacon usou partes de esferas de vidro como lupas para mostrar que a luz era refletida pelos objetos, e não emitida por eles.
Os primeiros óculos de uso pessoal foram inventados na Itália por volta de 1286. A invenção deu início à atividade de lapidação e polimento de lentes para esses óculos, primeiro em Veneza e Florença no século XIII, e depois em centros de fabricação de óculos nos Países Baixos e na Alemanha. Os fabricantes desenvolveram tipos melhores de lentes para correção da visão principalmente a partir do conhecimento empírico obtido pela observação de seus efeitos, e não pela teoria óptica rudimentar da época, que em grande parte sequer conseguia explicar adequadamente o funcionamento dos óculos.Ilardi (2007), p. 210. Esse desenvolvimento prático e a experimentação com lentes levaram diretamente à invenção do microscópio óptico composto por volta de 1595 e do telescópio refrator em 1608, ambos surgidos nos centros neerlandeses de fabricação de óculos.
miniatura|esquerda|Primeiro tratado de óptica de Johannes Kepler, Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604), geralmente tomado como o início da óptica moderna.
miniatura|direita|upright|Capa da primeira edição de Opticks, de Newton, publicada em 1704 miniatura|upright|Prancha com dispositivos ópticos na Cyclopaedia de 1728
No início do século XVII, Johannes Kepler ampliou a óptica geométrica em seus escritos, tratando de lentes, reflexão por espelhos planos e curvos, princípios da câmara escura, lei do inverso do quadrado aplicada à intensidade da luz e explicações ópticas de fenômenos astronômicos como eclipses lunares, eclipses solares e paralaxe astronômica. Também deduziu corretamente o papel da retina como o órgão que efetivamente registra as imagens e conseguiu quantificar os efeitos de diferentes tipos de lentes que os fabricantes de óculos vinham observando havia cerca de 300 anos.Ilardi (2007), p. 244. Depois da invenção do telescópio, Kepler apresentou a base teórica de seu funcionamento e formulou uma versão aperfeiçoada, o telescópio kepleriano, que usa duas lentes convexas para produzir maior ampliação.Caspar (1993), pp. 192–202.
A teoria óptica avançou em meados do século XVII com os tratados escritos pelo filósofo René Descartes, que explicavam fenômenos como reflexão e refração supondo que a luz fosse emitida pelos objetos que a produziam. Essa ideia diferia de maneira substancial da antiga teoria grega da emissão. No fim da década de 1660 e no início da década de 1670, Isaac Newton desenvolveu as ideias de Descartes em uma teoria corpuscular da luz e determinou que a luz branca era uma mistura de cores que podia ser separada em seus componentes por um prisma. Em 1690, Christiaan Huygens propôs uma teoria ondulatória da luz a partir de ideias apresentadas por Robert Hooke em 1664. Hooke criticou publicamente as teorias de Newton, e a disputa entre os dois continuou até a morte de Hooke. Em 1704, Newton publicou Opticks. Em parte pelo êxito de Newton em outras áreas da física, sua posição prevalecia no debate sobre a natureza da luz.
A óptica newtoniana foi amplamente aceita até o início do século XIX, quando Thomas Young e Augustin Jean Fresnel realizaram experimentos sobre a interferência da luz que estabeleceram firmemente sua natureza ondulatória. O experimento da dupla fenda de Young mostrou que a luz obedecia ao princípio da superposição, uma propriedade ondulatória não prevista pela teoria corpuscular de Newton. Esse trabalho levou a uma teoria da difração da luz e abriu uma nova área de estudo na óptica física. A óptica ondulatória foi unificada à teoria eletromagnética por James Clerk Maxwell na década de 1860.