Optik

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Weg des Lichtes durch eine Zerstreuungslinse (Zeichnung aus GA 320, S. 67)
Erzeugung eines reellen Bildes mittels einer Konvexlinse.
Funktionsweise einer Lochkamera
Erzeugung eines virtuellen Bildes durch einen ebenen Spiegel.

Die Optik (von griech. ὀπτικός optikós „zum Sehen gehörend“) ist jenes Teilgebiet der Physik, das die räumliche Ausbreitung des Lichts und seine Wechselwirkungen mit der Materie und insbesondere auch die Gesetzmäßigkeiten optischer Abbildungen untersucht.

Geometrische Optik

Die geometrische Optik beschreibt den Weg des Lichtes in einem optischen System, das aus optischen Linsen, Spiegeln, Blenden usw. besteht, auf rein geometrische Weise, wobei man sich des idealisierten Modells eindimensionaler Lichtstrahlen bedient. In der Realität hat man es hingegen stets mit dreidimensionalen Lichtzylindern oder Lichtkegeln zu tun.

„Man muß sich klar sein, wenn man das, was durch das Licht erscheint, mit Linien verfolgt, daß man da eigentlich nur etwas hinzuzeichnet, was mit dem Lichte nichts zu tun hat. Wenn ich hier die Linien zeichne, dann zeichne ich bloß die Grenzen des Lichtzylinders. Dieser Lichtzylinder wird durch diese Öffnung bewirkt. Ich zeichne also gar nichts, was mit dem Licht zu tun hat, sondern nur etwas, was hervorgerufen wird dadurch, daß das Licht durch den Spalt durchgeht. Und wenn ich hier sage: In dieser Richtung bewegt sich das Licht, so hat das wiederum mit dem Lichte nichts zu tun; denn würde ich die Lichtquelle hinaufschieben, so würde sich eben das Licht, wenn es durch den Spalt fallen würde, so bewegen, und ich müßte diese Pfeilrichtung so zeichnen. Das alles hätte mit dem Lichte als solchem nichts zu tun. Dieses Zeichnen von Linien in das Licht hinein ist man gewohnt worden, und dadurch ist man allmählich darauf gekommen, von den Lichtstrahlen zu reden. Man hat es nirgends mit Lichtstrahlen zu tun; man hat es zu tun mit einem Lichtkegel, der hervorgerufen ist durch einen Spalt, durch den man das Licht dringen läßt, man hat es zu tun mit einer Verbreiterung des Lichtkegels, und man muß sagen: Irgendwie muß die Verbreiterung des Lichtkegels zusammenhängen mit dem geringeren Weg hier in der Mitte, den das Licht macht, als hier am Rande. Durch den geringeren Weg hier in der Mitte behält es mehr Kraft, durch den längeren Weg am Rande wird ihm mehr Kraft genommen. Das schwächere Licht am Rande wird gedrückt durch das stärkere Licht in der Mitte, und es wird der Lichtkegel verbreitert. Das ist, was Sie ablesen können.“ (Lit.:GA 320, S. 68f)

Mathematisch kann die geometrische Optik als Grenzfall der Wellenoptik für verschwindend kleine Wellenlängen angesehen werden.

Optische Abbildung

Eine optische Abbildung erzeugt mittels eines optischen Systems (Linsen, Spiegel, Blenden mit punktförmiger Öffnung) ein reelles oder virtuelles, gegebenenfalls vergrößertes, verkleinertes oder geometrisch verzerrtes Abbild eines beleuchteten Gegenstands. Da ein reeles Bild anders als eine virtuelles Bild tatsächlich Licht aussendet, kann es auch auf einem Schirm aufgefangen werden. So erzeugt etwa eine simple Lochkamera (camera obskura) ein auf den Kopf gestelltes reelles Bild, das umso schärfer erscheint, je kleiner die Blendenöffnung ist. Bei einem virtuellen Bild, wie es etwa ein ebener Spiegel erzeugt, „verlängert“ unser Wahrnehmungsvermögen das Lichtbündel nach rückwärts hinter den Spiegel.

Wellenoptik

Newtonsche Ringe, die durch Interferenz zwischen zwei nahezu planen Flächen aufeinander liegender Linsen entstehen.

Die physikalische Wellenoptik fasst das Licht als elektromagnetische Welle auf und beschreibt dadurch optische Phänomene wie die Interferenz, Beugung und Polarisation, die durch die geometrische Optik nicht behandelt werden können.

„Man hat früher angenommen, man wisse, was hinter den Lichtund Farbenerscheinungen sei: Schwingungen, Undulationen im elastischen Äther. Jetzt ist es dahin gekommen dadurch, daß man die Wechselwirkungen zwischen Licht und Elektrizität kennengelernt hat, daß man das, was da eigentlich schwingt, als Elektrizität ansehen muß, als fortstrahlende Elektrizität - bitte fassen Sie die Sache ganz genau! Das Licht, die Farben will man erklären. Diese führt man zurück auf schwingenden Äther. Da geht etwas durch den Raum. Jetzt glaubte man, man hätte gewußt, was das Licht eigentlich ist - Schwingungen des elastischen Äthers. Jetzt kam man in die Notwendigkeit zu sagen: Was aber die Schwingungen des elastischen Äthers sind, sind elektrisch- magnetische Strömungen. Nun weiß man sogar genauer als früher, was das Licht ist. Es sind elektrisch-magnetische Strömungen, nur weiß man nicht, was diese elektrisch-magnetischen Strömungen sind. Man hat also den schönen Weg gemacht, eine Hypothese anzunehmen, das Sinnliche durch das unbekannte Übersinnliche des undulierenden Äthers zu erklären. Man ist nach und nach gezwungen worden, dieses Übersinnliche wiederum auf ein Sinnliches zurückzuführen, aber sich zu gleicher Zeit zu gestehen, daß man nicht weiß, was das nun ist. Es ist in der Tat ein höchst interessanter Weg, der da beschritten worden ist von einem hypothetischen Suchen eines Unbekannten zu dem Erklären dieses Unbekannten durch ein anderes Unbekanntes. Der Physiker Kirchhoff hat sich eigentlich entsetzt gesagt: Wenn diese neueren Erscheinungen notwendig machen, daß man an den Äther mit seinen Schwingungen nicht mehr glauben kann, dann ist das kein Vorteil für die Physik, und Helmholtz zum Beispiel, als er diese Erscheinungen kennenlernte, der sagte: Gut, man kommt natürlich nicht darüber hinweg, das Licht als eine Art elektrisch-magnetischer Strahlung zu betrachten. Dann muß man halt diese wieder zurückführen auf die Schwingungen des elastischen Äthers. Zuletzt wird es doch so kommen. - Das Wesentliche ist, daß man eine ehrliche Undulationserscheinung, das Schwingen der Luft, wenn wir Töne wahrnehmen, rein analogisch übertragen hat in ein Gebiet hinein, in dem die ganze Annahme eben durchaus eine hypothetische ist.“ (Lit.:GA 320, S. 117f)

Nichtlineare Optik

Wenn sich eine elektromagnetische Welle nicht im Vakuum, sondern in einem stofflichen Medium ausbreitet, so wird dieses durch das elektrische Feld der Welle polarisiert und sendet seinerseits sekundäre Wellen aus. Beschreiben lässt sich dies durch die elektrische Flussdichte LaTeX: \vec D, die sich aus der elektrischen Feldstärke LaTeX: \vec E, der elektrischen Feldkonstanten LaTeX: \epsilon_0 und der elektrischen Polarisation LaTeX: \vec P wie folgt ergeibt:

LaTeX: \vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E} + \vec{P}

Für geringe Intensitäten steigt die Polarisation linear mit dem elektrischen Feld an; Proportionalitätsfaktor ist dabei die elektrische Suszeptibilität (von lat. susceptibilitas „Übernahmefähigkeit“) LaTeX: \chi_e des Mediums:

LaTeX: \vec{P} = \varepsilon_0 \chi \vec{E}

Für hohe Intensitäten müssen zusätzlich höhere nichtlineare Terme berücksichtigt werden:

LaTeX: \vec{P} = \varepsilon_0 \sum_n \chi^{(n)} \vec{E}^n = \varepsilon_0 \left[ \chi^{(1)} \vec{E} + \chi^{(2)} \vec{E}^2 +  \chi^{(3)}\vec{E}^3 + \dots \right]

In diesem Fall hat man es mit einer nichtlinearen Optik (NLO) zu tun. Kristalle, die derartige optische Effekte zweiter Ordnung zeigen, sind meist auch piezoelektrisch. Am häufigsten verwendet man dafür Kristalle aus Beta-Bariumborat (BBO), Kaliumdihydrogenphosphat (KDP), Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP), Lithiumniobat, Lithiumjodat und Silberthiogalat.[1]

Literatur

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Literaturangaben zum Werk Rudolf Steiners folgen, wenn nicht anders angegeben, der Rudolf Steiner Gesamtausgabe (GA), Rudolf Steiner Verlag, Dornach/Schweiz
Email: verlag@steinerverlag.com URL: www.steinerverlag.com. Freie Werkausgaben gibt es auf fvn-rs.net, archive.org und im Rudolf Steiner Online Archiv.
Eine textkritische Ausgabe grundlegender Schriften Rudolf Steiners bietet die Kritische Ausgabe (SKA) (Hrsg. Christian Clement): steinerkritischeausgabe.com
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Hilfreiche Werkzeuge zur Orientierung in Steiners Gesamtwerk sind Christian Karls kostenlos online verfügbares Handbuch zum Werk Rudolf Steiners und
Urs Schwendeners Nachschlagewerk Anthroposophie unter weitestgehender Verwendung des Originalwortlautes Rudolf Steiners.
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Einzelnachweise

  1.  Wolfgang Zinth, Ursula Zinth: Optik. 2. Auflage. Oldenbourg, München 2009, ISBN 978-3-486-58801-9, S. 255.