光是什么？古往今来，人们一直在探索这个问题的答案。

很久很久以前，古希腊人给光画了一张象——光从人眼睛里流出来。他们认为，由于人的眼睛能够自然而然地流出光来，所以人才会看到周围的东西。这正象动物长着长长的触须，碰到了物体即知道物体的存在一样。

光，究竟是什么东西呢？许多世纪以来，人们运用人类逐渐积累起来的知识，给光勾画了一张又一张的画象。有的似象非象；有的画出了光的某些特点，却没有表现出其它特点。

1675年，英国科学家牛顿在解释阳光通过三棱镜产生七色光谱现象时，将光描绘为从发光物体发射出来而作高速直线运动的一种非常细小的粒子，这就是光的“微粒说”。这种学说，很好地解释了光的直线传播、反射和折射定律，然而，对于衍射、干涉和偏振等现象却无能为力。根据微粒说观点，光在水、玻璃这样密度大的物质中传播速度大于空气中的速度，而实验测得的结果与此却恰恰相反。

1678年，荷兰物理学家惠更斯对光作出了完全不同的描绘：光是在充满整个空间的特殊媒质“以太”中传播的某种弹性波动。按照波动说解释，光在水、玻璃等媒质中传播速度比在空气中慢，而且各种色光波长不同，传播速度也不一样，因而进入水、玻璃中之后发生偏折就不同，红光波长最长，偏折最小，紫光波长最短，偏折最厉害。一些科学家运用光的波动理论，研究、解释了干涉、衍射和偏振等现象。但是，波动说却不能解释光的直线传播，后来迈克耳逊实验还证明并不存在以太。

牛顿和惠更斯是同时代的人，微粒说和波动说各有长短，争论不休。由于那时候的实验条件和方法所限，无法判断和证实两种学说的优劣。微粒说能够直观地、自然地解释光的直线前进等现象，易于为人们所接受，因此在十八世纪前一直占上风。

1801年，英国物理学家托马斯·杨作了一个著名的光的干涉实验，才打破了微粒说的优势。杨氏让一狭窄的光束穿过两个十分靠近的小孔，尔后投射到一块白屏上，则两束光在屏上重叠处呈现出一系列明暗交替的条纹。在暗条纹处，光的粒子跑哪儿去了？微粒说无法解释。可是，按照波动说的观点却能圆满地解释：频率和振动方向相同并具有恒定相位差的两列波相遇发生干涉，两列波叠加时其波峰、波谷相增强或相抵消的结果，即为明暗相间的条纹。两列波叠加后合成振幅最小处为暗条纹。

1818年，法国物理学家菲涅耳又作了一个著名的光的衍射实验，运用惠更斯原理加以解释，使波动说的地位从此上升。他的实验证明，如果障碍物足够小，以至可以和光的波长相比拟，则光波在传播中能绕过障碍物，而在其后形成明暗相间的图样，这就是衍射图样。一束单色光经过边缘平滑的狭缝而产生的衍射图样，中央为最亮的条纹，两侧为明暗相间的条纹，明条纹随着其位置远离中央而亮度递减。托马斯·杨、菲涅耳等人圆满地解释了当时已发现的各种光的现象，使波动说一跃占了上风。

1871年，英国物理学家麦克斯韦总结了前人关于电学和磁学领域的发现和经验，提出了电磁场的完整理论，发表了著名的麦克斯韦方程组。他认为，电磁场是电磁波的载体，是能够贯穿一切的特殊媒质。他的理论不仅预言了电磁波的存在，而且推算出变化的电磁场以每秒30万公里的速度在真空中传播，也就是说，电磁波的传播速度恰好等于光速。于是，麦克斯韦大胆地预言：光也是一种电磁波。从此，光便得到了一个新的名字——光波，并成为电磁波大家庭中的一员。

电磁波大家庭的组成。其中一小部分为可见光，波长从3900埃到7600埃。埃是一个长度单位，1埃等于10——10米。

1900年，德国科学家普朗克引用物质结构理论中不连续性概念，提出了辐射的量子论。他认为，各种频率电磁波的能量辐射是不连续的，是由一份一份的能量单元组成的，每一份能量单元称为量子，能量辐射的增减都是以这种最小单位即量子的整数倍进行的。他描绘的发光物体，发射光波是以一个一个量子的形式进行的，也就是说，发光物体发射出一个一个的“能量颗粒”，称之为光的量子。

1905年，伟大的科学家爱因斯坦利用普朗克提出的量予论，成功地解释了光电效应，并由此证明了光量子的存在。

德国物理学家列纳德曾发现，将一定波长的光照射到某些金属上，会逸出一些电子来，就好象光的力量将电子从金属原子中打出来似的。爱因斯坦认为，光束携带能量在空间以不连续方式分布，形成一个一个的能量颗粒，称之为光量子——光子之名由此而生。照射金属的光量子必须有一个最低限度的能量，才能使电子吸收足够的能量而从金属中脱出，也就是说，要把电子从金属中打出来，需要对金属原子作功——脱出功，以克服其束缚。有些金属原子对电子的束缚力较弱，只要用量子能量较小的红光照射，就能把电子打出来；而另一些金属原子对电子的束缚力较强，则需要用量子能量较大的蓝光甚至紫光照射，才能把电子打出来。光越强，即光量子数越多，打出的电子就越多。对于同一种金属，用不同频率的光量子打出的电子速度也不同。爱因斯坦依此导出了光电效应理论公式，并于10年后被实验精确地证实。由于这方面的成就，他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

现代物理学认为，光既有波动性又有粒子性，称为光的波粒二象性。光在传播过程中主要表现出波动性，可以用电磁波理论来解释；而在与物质相互作用时较多地显示出粒子性，则遵从于量子理论的解释。光的两种属性——波动性和粒子性，不过是在不同条件下物质运动特性的不同表现而已。

许多世纪以来，关于光的学说，在各个发展阶段中存在着相互矛盾的论点，而这种矛盾促进了光的学说的发展。随着新的光学现象的不断发现和新的光学实验方法的不断应用，人们对光的本质的认识不断加深。到目前为止，人们用波动性和粒子性这两个矛盾的性质辩证统一来描绘光，而得出了一幅关于光的较为完整的图画。但是，这种对光的本性的描绘，也只是现阶段人们认识到的最符合实际的理论，也还有一些光学现象不能彻底解释清楚，人类对于光的认识还有待于发展，对光本质的探索至今仍是物理学研究中的一个重要方面。一句话，关于光的理论还没有最后完成。光子，还是个谜！

光是什么？光的本性是什么？围绕着这个根本问题，自古至今，人们遵循着实验——假说——理论——实验这条道路前进，研究了形形色色的光的现象，包括光的发射、传播和接收，光和其它物质的相互作用（光的吸收，光的散射和色散，光的机械作用，光的电、热、化学和生理效应）等等，研究了光的这些现象的产生原因，从而认识了光，掌握了光的现象的形成规律，并利用它为人类的生产和生活服务。这样，就形成了一门科学——光学。

光学的发展，大致可以划分为五个时期：

1.光学萌芽时期。这是光学发展史上的一段缓慢前进的年代。在这段时期里，对光的直线传播、反射和折射等现象作了观察和实验，凸凹面镜和透镜等光学元件出现，并在生产和生活中应用取得了一些成就。

2.几何光学时期。这是光学发展史上的转折点。在这段时期里，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。望远镜和显微镜相继问世，扩大了人眼的观察能力，推动了天文、航海和生物学的发展。

3.波动光学时期。十九世纪，『这是光学发展史上的重要时期。在这段时期里，波动光学体系已经形成。托马斯·杨和菲涅耳的干涉实验起着决定性的作用。麦克斯韦关于光和电磁现象一致性的理论，使人类在认识光的本质方面迈出了一大步。

4.量子光学时期。十九世纪末到二十世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观结构中。在这段时期里，确立了光量子理论，人们采用波动性——粒子性之“波粒二象性”来解释和研究各种光的现象。

5.现代光学时期。从本世纪六十年代起，激光问世之后，光学和其它科技领域紧密结合、互相渗透，又焕发了青春，以空前的规模和速度飞速向前发展，出现了许多崭新的分支学科，成为现代科学技术的一块重要的前沿阵地。

下面，我们就按这样的发展进程来介绍一下光学。