лише одна траєкторія променя світла, яка зумовлює відбиття в тій точці, де ця траєкторія перетинається з дзеркалом. Але що визначає розташування цієї точки на дзеркалі? У «Катоптриці» з’являється основний принцип, який відповідає на це запитання: кути, що утворює промінь світла із пласким дзеркалом, коли він падає на нього й коли відбивається, рівні. Цій умові відповідає лише одна траєкторія світла.
Ми не знаємо, хто саме в Елліністичну еру насправді відкрив цей принцип. Однак ми точно знаємо, що близько 60 року н. е. Герон Александрійський у своїй «Катоприці» навів математичне доведення правила рівних кутів, яке спирається на припущення, що шлях, пройдений променем світла від об’єкта до дзеркала, а потім до ока спостерігача, є шляхом найкоротшої довжини (див. технічну примітку 8). Обґрунтовуючи цей принцип, Герон вдовольнився лише словами: «Усі погоджуються, що Природа не робить нічого просто так і не напружує сили без потреби»8. Можливо, на нього вплинула телеологія Арістотеля – усе відбувається з якоюсь метою. Але Герон мав рацію: як ми побачимо нижче, у розділі 14, у XVII столітті Гюйґенс зумів вивести принцип найкоротшої відстані (насправді найкоротшого часу) із хвильової природи світла. Той самий Герон, який вивчав основи оптики, винайшов завдяки цим знанням практичний інструмент – теодоліт, а також пояснив дію сифонів і спроектував військові катапульти та примітивний паровий двигун.
Близько 150 року н. е. оптику в Александрії став вивчати видатний астроном Клавдій Птолемей (не родич царів). Його твір «Оптика» зберігся в латинському перекладі втраченої арабської версії втраченого давньогрецького оригіналу (а може, і втраченого проміжного сирійського варіанту). У цьому творі Птолемей описав обчислення, що підтверджували правило рівних кутів Евкліда та Герона. Він також застосував це правило до відбиття від кривих дзеркал на кшталт тих, що можна знайти сьогодні в парках розваг. Він правильно розумів, що відбиття у кривому дзеркалі точно такі самі, як якби це дзеркало було якоюсь площиною, дотичною до справжнього дзеркала в точці відбиття.
В останній частині «Оптики» Птолемей також вивчав заломлення – викривлення променів світла під час переходу з одного прозорого середовища, наприклад із повітря, в інше, наприклад у воду. Він підвішував диск, розмічений по краю позначками кутів, зануривши його наполовину в посудину з водою. Спостерігаючи за зануреним об’єктом за допомогою закріпленої на диску трубки, він зумів виміряти кути, які утворюють промені, що падають, і заломлені з нормаллю – лінією, перпендикулярною до поверхні, з точністю, що коливалася від частки градуса до кількох градусів9. Як ми побачимо нижче в розділі 13, правильний закон щодо цих кутів розробив Ферма в XVII столітті, просто розширивши принцип, який Герон застосовував до відбиття: під час заломлення шлях, який проходить промінь світла, що іде від об’єкта до ока, не найкоротший, а той, що потребує найменшого часу, щоб світло пройшло цей шлях. Відмінність