什么是光
这是一个绚丽多彩的世界，我们之所以能看到世界上的万事万物，是因为我们有眼睛，我们的眼睛能够接受各种各样的光。光与人类的生活密切相关，它主宰着人类的命运，光有人造光和自然光两种。
如果要给光一个定义，那么可以这样说，光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。光是一种电磁辐射，光的电磁波的波长范围在0.39微米到0.77微米。要深刻地了解光的含义，我们先来了解红外线和紫外线的含义。红外线指波长超过0.77微米并低于1000微米左右的电磁波；紫外线指波长低于0.39微米但大于0.04微米左右的电磁波。人类的眼睛不能观察到红外线和紫外线，但如果用特定的光学仪器或摄影方法，人类能够探测到这种发光物体的存在，因此光学中光的范围更广一点，它包括可见光、红外线和紫外线，有时X射线也被认为是光的一部分。
地球上不能缺少光，如果没有光，地球将会是一片黑暗。正是因为有了光，地球上才有了生命，人类生活才有了依据。人类借助光来认识外部世界，人类借助光来进行信息的传播。根据科学家们的统计，人类所有的感觉器官收到的信息中，眼睛收到的信息占到了90%以上，由此可见，光在人类的生活中占据了多么重要的地位。
光能够产生许多现象，如果一束光投射到物体上，那么就会有光的反射、光的折射、光的干涉和光的衍射等光学现象产生，这些光学现象是人类看到事物和了解世界的基础，正是因为有了这些光学现象，人类才能在世界上生存。
什么是光学
光学以光的传播和光与物质的相互作用为研究对象。光学是物理学的基础学科之一，它同时还具有很强的应用性。早期的光学的研究对象主要是可见光，现在的光学的研究对象则包括可见光、红外线、紫外线和X射线，而且研究范围还扩展到了光的发射、光的接收和光与物质的相互作用等问题上。光学作为物理学的一个基础学科，它与物理学的其他学科相互衔接并相互渗透。光学的研究内容有几何光学、波动光学和现代发展起来的各个新领域，随着科技的发展，相信光学的研究内容还会得到进一步的充实。
《墨经》是我国先秦时期的著作，在这本著作中有关于光的直进性、影、针孔成像、球面反射镜等光学记录，这是世界上最早的光学记录。光学在《墨经》出现以后的漫长时期里都没有取得什么进展，虽然那时出现了凹面镜、凸面镜、透镜及透镜的组合等光学器件，而且这些光学器件的应用也相当普遍，但是系统的光学理论还没有形成，光学研究还处于相对停滞阶段。
17世纪，处于停滞阶段的光学取得了一些进展，这些进展首先表现在光学仪器的制造上。1608年，荷兰商人李普希发明了第一架望远镜。1610年，意大利科学家伽利略发明了放大物体的显微镜。
各式各样的望远镜和显微镜在这段时间之内纷纷出现。光学理论方面也有很大的进展。1621年，荷兰科学家斯涅耳发表了一篇文章，这篇文章提出了折射定律的余割形式。1637年，法国科学家笛卡儿提出了折射定律的正弦形式。1657年，法国数学家费马提出了最小时间原理。由于光学仪器和光学理论的巨大进步，几何光学的基础在17世纪中叶已经形成。17世纪后半叶，英国科学家牛顿使用三棱镜将太阳光分解成彩色光带，并做了颜色混合实验，从此颜色之谜被解开。1672年，牛顿根据光的反射与颜色无关这一原理，将世界上第一台无色差反射式望远镜研制出来。与此同时，牛顿提出了光的微粒说，而与他同时代的英国科学家胡克和荷兰科学家惠更斯则提出了光的波动说，光的本质这个问题从此成为光学讨论的热门话题。
19世纪，光的波动说得到了很大的发展。通过法国科学家菲涅耳等人的不懈努力，光的波动说得到了大家的承认并取得了重要的地位。波动理论成功地解释光的干涉、光的衍射和光的偏振等光学现象，而这些光学现象都与光的传播行为有关。19世纪60年代，英国科学家麦克斯韦建立了电磁场理论，他还对光速进行了测定，这使人们更加确信光是一种电磁波。光波是一种电磁波，这样的解释与光学现象相符，这就使得光的波动说有了坚实的理论基础。运用电磁场理论对光在晶体和金属中的传播规律进行研究时，晶体光学和金属光学这两个光学分支开始出现，几何光学和波动光学也是电磁场理论的一部分内容。19世纪末，荷兰物理学家洛伦兹创立了洛伦兹电子论，电子论解释了光的色散、光的散射和光的吸收等光学现象，光与物质相互作用的问题由此得到了初步的研究。
20世纪初，德国物理学家普朗克提出了量子假设，这个假设解决了黑体辐射的实验规律；德国科学家爱因斯坦提出了光子假设，这个假设解释了光电效应的实验规律。爱因斯坦重新提出了光的微粒说，光子概念得以确立，它主要用来解决光与物质之间的相互作用，光子概念的产生标志着量子光学的诞生。20世纪60年代，各种各样的激光器出现，量子光学得到了进一步发展，传统的光谱学由于新的理论产生而发生了很大的变化。激光是一种新型的光源，它在工业社会中起到了巨大的作用，同时他推动了光学的发展。
什么是光速
经常听到光速这个名词，那么什么是光速呢？光速指的是光波或电磁波在真空或介质中的传播速度，下面系统地介绍一下光速。
关于光速是多少，有着各种各样的猜测。真空中光速的国际公认值为299792458米/秒，这是一个重要的物理常量。17世纪前，人们普遍认为光速无限大，但这个观点引起了意大利物理学家伽利略的怀疑。伽利略进行了一系列的实验，他试图证明光速并非无限大，但由于他进行的实验过于简单，因此没有取得成功。1676年，丹麦天文学家罗默借助木星卫星的星蚀时间变化，从而证实光是以有限速度传播的，光速无限大这个观点被否认。1727年，英国天文学家布拉得雷对恒星光行差现象加以利用，得出了光速值为303000千米/秒，这在当时是一个了不起的发现。
1849年，法国物理学家菲佐巧妙地运用了旋转齿轮法，并成功地在地面实验室中进行了光速测量，他这次测量得出的光速值为315000千米/秒。1862年，法国实验物理学家傅科对旋转镜加以利用，并成功地测得光速值为（298000±500）千米/秒。19世纪中叶，英国物理学家麦克斯韦建立了电磁场理论，他根据这个理论取得了重要的发现，即电磁波在真空中的传播速度与静电单位电量和电磁单位电量的比值相等，因此只要测量出静电单位电量和电磁单位电量的比值，就可以得出电磁波的波速。1856年，德国科学家科尔劳施和韦伯对静电单位电量和电磁单位电量进行了测量，通过计算他们得出电磁波在真空中的波速值为3.1074×105千米/秒，这个数值非常接近菲佐测量的光速值，这让人们想到光可能也是一种电磁波。
1926年，美国物理学家迈克耳孙对傅科的旋转镜法实验进行了改进，从而得出了（299796±4）千米/秒的光速值。1929年，迈克耳孙在真空中将这个实验重新做了一遍，这次实验得到了299774千米/秒的光速值。关注这个实验的人越来越多，菲佐的实验也被人加以改进，这项改进主要是原来的旋转齿轮改为了开关，这样实验的精确度就得到了很大的提高。1952年，英国实验物理学家费罗姆创制出了微波干涉仪法，他利用这个方法得到了（299792.5±0.1）千米/秒的光速值，这个数值曾一度被作为国际推荐值使用，后来由于更精确的数字出现才废除。
1972年，美国科学家埃文森等人对激光频率和真空中的波长进行了直接测量，得出了（299792458±1.2）米/秒的光速值。1975年，第15届国际计量大会召开，上述光速值在这次大会上成为国际推荐值。1983年，第17届国际计量大会确定299792458米/秒的光速值为规定值。现在光速值已经确定，因此不用再想办法对其进行测量，在我们进行计算的时候，可以直接使用这个规定值，这大大地促进了物理学其他内容的发展。
由于光在不同的介质中有着不同的运行速度，因此不同的介质有不同的光速值。1850年，菲佐对光在水中的运行速度进行了测量，并由此得出光在水中的运行速度比光在空气中的运行速度小。傅科也对光在水中的运行速度进行了测量，他得到了与菲佐相同的结论。现在光速对于我们已经不再是一个谜，而且越来越多的科学之谜将会被解开。
光的本质
光与人类生活有密切的关系，它时时刻刻都在影响人类生活。影响着人类生活的光到底是怎样的一种事物呢？那就让我们来看一看光的本质。
17世纪60年代，光学这门学科得以创立，创立这门学科的是英国科学家牛顿。光学的创始人牛顿认为，光实质上是由无数弹性小球组成，这个观点被称为光的微粒说。光的微粒说受到了当时人们的关注，它能合理地解释光的反射和光的折射两种光学现象。
光的微粒说如何解释光的反射现象呢？下面我们对此来进行分析。光的反射现象与我们打弹子球一样，当弹子球在行进过程中撞到边框上，它就不会再前进而是直接被弹回。光的传播也是这样，当光投射到一些特殊物体上时，它也被直接弹回，比如光投射到光滑的镜子上时，就会出现这种情况。光的反射现象得到了合理的解释，那么光的折射现象呢？根据万有引力定律的规定我们知道，当光从光疏物质进入光密物质时，由于物质的密度存在差异，这两种物质对光的吸引作用就有差别。光密物质的密度比较大，它能够更强地吸收光；光疏物质的密度比较小，它吸收光的能力没有光密物质强。因此，光束由空气进入水或玻璃时，就会偏向密度较大的水或玻璃的一侧，而不再是直线传播。当然，光的微粒说也不全部正确，它在解释光的色散时遇到了困难。虽然光的微粒说不能很好地解释光的色散，但它仍然在相当长的一段时间内得到了人们的认同。
荷兰物理学家惠更斯是跟牛顿同时代的科学家，他不同意牛顿的光的微粒说，而是提出了完全不同的学说，这就是光的波动说。惠更斯认为光与声音有相似之处，它们都是一种空气振动过程，这种振动像水波一样传递。惠更斯的光的波动说具有一定的科学性，因而也曾在一段时间内占领科学领域。
牛顿和惠更斯都是著名的科学家，他们都认为自己的观点是正确的，因此他们互不相让。在当时的科学界，牛顿具有较高的威望，人们认为牛顿的观点是不会有错的，因而光的波动说在那时处于劣势。
1864年，英国物理学家麦克斯韦对光进行了仔细的研究，之后他提出了这样的观点：光波是一种电磁波，它与无线电波具有同样的性质，光波与无线电波之间的区别仅仅是波长不同。麦克斯韦的这个说法后来证明是正确的，光波与无线电波确实一样，它们唯一的不同点就是光波比无线电波要短得多，因此无线电波一般以米为单位。通过麦克斯韦的研究，人们认识到光的波动说的正确性，并逐渐对这种学说加以认同。然而光的波动说虽然能够对光的反射、光的折射和光的干涉等光学现象进行合理的解释，但是光电效应却是这个学说解释不了的，因此光的波动说可能也不是最完美的学说。
1905年，德国物理学家爱因斯坦提出了光子说。光子说是这样的一种学说，它认为光能是聚集成一份一份的，并以不连接的形式在空中传播。每一份光是一个光量子，光量子既是一种微粒，又是一种电波。光子说把光的微粒说和波动说有效地统一了起来，让几百年争论的话题有了一个全新的解释。随着科学的发展，关于光的本质这个问题可能还会有不同的解释。
光的散射
光的散射是一种光学现象，它指的是光通过不均匀介质时部分光偏离原方向传播的现象。偏离原来方向传播的光叫做散射光，散射光实质上是一种偏振光。有的散射光的波长不发生变化，比如廷德耳散射、分子散射等；有的散射光的波长则会发生改变，比如拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。
英国物理学家廷德耳首先对廷德耳散射进行了研究，他发现这种散射是由均匀介质中的悬浮粒子引起的，如空气中的烟、雾、尘埃以及乳浊液、胶体等引起的散射，这些散射在光学上都称为廷德耳散射。廷德耳散射不会在真溶液中发生，因此可以用廷德耳散射来区分胶体和真溶液。物质分子的热运动会造成物质密度的涨落，这样就会引起一种散射，这种散射叫做分子散射，如纯净气体或液体中就会发生这种散射。
一般来说，传播介质中有大量不均匀的区域存在，这是光的散射产生的原因。有光射入传播介质时，介质中不均匀的区域就成为散射中心，它们向外面发出同频率的次波。这些次波之间没有固定的相位关系，它们在某方向会形成该方向的散射光。英国物理学家瑞利对这些线度比波长要小的微粒所引起的散射进行了研究，1871年，他提出了著名的瑞利散射定律。凡遵守瑞利散射定律的散射称为瑞利散射，大海的蔚蓝色和夕阳的橙红色可以根据瑞利散射定律进行解释。
