光的研究历史和力学一样,在古希腊时代就受到注意,光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名,但在自然科学与宗教分离开之前,人类对于光的本质的理解几乎再没有进步,只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面。( 另,历史告诉我们,古中国早在战国初期,墨学创始人墨子便发现了光的反射定律,建立了中国的光学体系。)十七世纪,对这个问题已经开始存在波动学说和粒子学说两种声音。
1925年,法国物理学家德布罗意又提出所有物质都具有波粒二象性的理论,即认为所有的物体都既是波又是粒子,随后德国著名物理学家普朗克等数位科学家建立了量子物理学说,将人类对物质属性的理解完全展拓了。综上所述,光的本质应该认为是光子,它具有波粒二象性[5] 。但这里的波的含义并不是如声波、水波那样的机械波,而是一种统计意义上的波,也就是说大量光子的行为所体现的波的性质。同时光具有动态质量,根据爱因斯坦质能方程可算出其质量。
光是一个物理学名词,其本质是一种处于特定频段的光子流。光源发出光,是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道,电子就会进行加速运动,并以波的形式释放能量。如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位,从激发态到达稳定态,电子就不动了。否则电子会再次跃迁回之前的轨道,并且以波的形式释放能量。
光同时具备以下五个重要特征:
1 在几何光学中,光以直线传播。笔直的光柱和太阳光线都说明了这一点。
2 在波动光学中,光以波的形式传播。光就像水面上的水波一样,不同波长的光呈现不同的颜色。
3 光速极快。在真空中为299792458≈3×108m/s,在空气中的速度要慢些。在折射率更大的介质中,譬如在水中或玻璃中,传播速度还要慢些。
4 在量子光学中,光的能量是量子化的,构成光的量子(基本微粒),我们称其为光量子,简称光子,因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化。
5 光的偏振 光的偏振现象有别与光的其它性质,人的感觉器官不能感觉偏振的存在。偏振光可分为部分偏振光、线偏振光(平面偏振光)、椭圆偏振光和圆偏振光。[6]
光在同种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、日食和月食还有影子的形成都证明了这一事实。
撇开光的波动本性,以光的直线传播为基础,研究光在介质中的传播及物体成像规律的学科,称为几何光学。在几何光学中,以一条有箭头的几何线代表光的传播方向,叫做光线[1] 。几何光学把物体看作无数物点的组合(在近似情况下,也可用物点表示物体),由物点发出的光束,看作是无数几何光线的集合,光线的方向代表光能的传递方向。