可見光的確切性質(zhì)是幾個(gè)世紀(jì)以來困惑人類的一個(gè)謎團(tuán)。來自古代畢達(dá)哥拉斯學(xué)科的希臘科學(xué)家假定，每個(gè)可見物體都會發(fā)出穩(wěn)定的粒子流，而亞里士多德認(rèn)為光的傳播方式類似于海洋中的波浪。即使這些想法在過去20個(gè)世紀(jì)中經(jīng)歷了許多修改并發(fā)生了相當(dāng)程度的演變，但希臘哲學(xué)家所確立的爭端的本質(zhì)至今仍然存在。
一種觀點(diǎn)認(rèn)為，自然界的波浪般光亮，產(chǎn)生的能量穿過空間的方式類似于在落下的巖石擾動后在靜止的池塘表面蔓延的波紋。相反的觀點(diǎn)認(rèn)為，光由顆粒的穩(wěn)定流組成，非常像從花園軟管噴嘴噴出的小水滴。在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，意見一致已經(jīng)動搖了一段時(shí)期的觀點(diǎn)，只有被另一個(gè)觀點(diǎn)推翻。只有在20世紀(jì)的頭十年里，收集到足夠的令人信服的證據(jù)才能提供全面的答案，令每個(gè)人驚訝的是，兩種理論都證明是正確的，至少部分是正確的。
在十八世紀(jì)初期，關(guān)于光的性質(zhì)的爭論已經(jīng)將科學(xué)界變成了分裂的陣營，他們在他們喜歡的理論的有效性上進(jìn)行了激烈的斗爭。一群贊同波浪理論的科學(xué)家把他們的論點(diǎn)集中在荷蘭人克里斯蒂安惠更斯的發(fā)現(xiàn)上。對立的陣營引用艾薩克牛頓爵士的棱鏡實(shí)驗(yàn)來證明，光作為粒子的陣雨傳播，每個(gè)粒子都以直線前進(jìn)，直到被折射，吸收，反射，衍射或以某種其他方式干擾為止。雖然牛頓本人似乎對他的粒子有疑問 關(guān)于光的本質(zhì)的理論，他在科學(xué)界的威望如此之重以至于他的提倡者在他們兇猛的戰(zhàn)斗中忽略了所有其他的證據(jù)。
惠更斯的光折射理論基于光的波狀性質(zhì)的概念，認(rèn)為任何物質(zhì)中的光速與其折射率成反比。換句話說，惠更斯推測，光線被物質(zhì)“彎曲”或折射的越多，在穿過該物質(zhì)時(shí)它會移動得越慢。他的追隨者得出的結(jié)論是，如果光由粒子流組成，那么會出現(xiàn)相反的效果，因?yàn)檫M(jìn)入密度較大的介質(zhì)的光將被介質(zhì)中的分子吸引，并且速度增加而不是減小。盡管這個(gè)論點(diǎn)的完美解決方案是測量不同物質(zhì)，例如空氣和玻璃中的光速，但是該時(shí)期的裝置不能勝任。無論其通過的材料如何，光似乎都以相同的速度移動。超過150年過去了，光速可以用足夠高的準(zhǔn)確度來測量，證明惠更斯理論是正確的。
盡管艾薩克牛頓爵士享有盛譽(yù)，但1700年代初期一些杰出的科學(xué)家并不同意他的粒子理論。一些人認(rèn)為，如果光線由粒子組成，那么當(dāng)兩束光線交叉時(shí)，一些粒子會相互碰撞而產(chǎn)生光束偏差。顯然，情況并非如此，所以他們得出結(jié)論，光不能由單個(gè)粒子組成。
惠更斯，他所有的直覺，在他1690的論文建議traite德拉盧米埃光波通過調(diào)解的空間旅行醚，這是一種神秘的失重物質(zhì)，作為整個(gè)空間和空間中的無形實(shí)體存在。尋找在十九世紀(jì)期間消耗了大量的資源，后才被安息。以太理論持續(xù)至少直到19世紀(jì)末，正如查爾斯惠特斯通提出的模型所證明的，該模型證明了以太垂直于光傳播方向的角度振動了光波，james clerk maxwell的詳細(xì)模型描述了無形物質(zhì)的構(gòu)造?；莞拐J(rèn)為，以太在與光相同的方向上振動，并在攜帶光波時(shí)形成一個(gè)波。在后面的一本書中，惠更斯原理巧妙地描述了波浪上的每個(gè)點(diǎn)如何產(chǎn)生自己的小波，然后將它們加在一起形成波前?；莞估眠@一思想為折射現(xiàn)象提供了詳細(xì)的理論，并解釋了為什么光線穿越路徑時(shí)不會碰撞到彼此。
當(dāng)光束在具有不同折射率的兩種介質(zhì)之間傳播時(shí)，光束經(jīng)歷折射，并且當(dāng)它從媒體轉(zhuǎn)到第二媒體時(shí)改變方向。為了確定光束是由波還是粒子組成，可以設(shè)計(jì)一個(gè)模型來解釋這種現(xiàn)象（圖3）。根據(jù)惠更斯波動理論，在前面的其余部分到達(dá)界面之前，每個(gè)角度波前的一小部分應(yīng)該影響第二介質(zhì)。該部分將開始移動通過第二介質(zhì)，而其余波仍在介質(zhì)中傳播，但由于第二介質(zhì)的較高折射率將移動得更慢。由于波前現(xiàn)在以兩種不同的速度傳播，它將彎曲進(jìn)入第二種介質(zhì)，從而改變傳播角度。相反，粒子理論有一個(gè)相當(dāng)困難的時(shí)間來解釋為什么當(dāng)粒子從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)光的粒子應(yīng)該改變方向。該理論的支持者認(rèn)為，一個(gè)垂直于界面的特殊作用力會在粒子進(jìn)入第二種介質(zhì)時(shí)改變粒子的速度。這支的確切性質(zhì)留給了猜測，并沒有收集證據(jù)證明這一理論的證據(jù)。
這兩種理論的另一個(gè)*的比較涉及當(dāng)光從平滑的鏡面反射時(shí)發(fā)生的差異，例如鏡子。波浪理論推測，光源發(fā)出的光波在所有方向上傳播。在撞擊鏡面時(shí)，波會根據(jù)到達(dá)角度反射，但是每個(gè)波都會反轉(zhuǎn)到前面以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)圖像（圖4）。到達(dá)波的形狀強(qiáng)烈依賴于光源離鏡子多遠(yuǎn)。來自近光源的光仍然保持球面高度彎曲的波前，而從距離源發(fā)出的光線將更多地傳播，并以幾乎平面的波前影響反射鏡。
就反射現(xiàn)象而言，光的粒子性質(zhì)的情況比折射的情況要強(qiáng)得多。由光源發(fā)出的光，無論是接近還是遠(yuǎn)，以粒子流的形式到達(dá)鏡面，其從光滑表面彈開或反射。因?yàn)榱Ｗ臃浅Ｐ?，所以傳播的光束中有很大?shù)量的粒子，它們并排地靠在一起。在撞擊鏡面時(shí)，粒子會從不同的點(diǎn)反射回來，所以它們在光束中的順序在反射時(shí)會反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)反轉(zhuǎn)的圖像，如圖4所示。粒子和波浪理論都充分解釋了光滑表面的反射。然而，粒子理論還表明，如果表面非常粗糙，粒子會以各種角度反彈，散射光。這個(gè)理論非常符合實(shí)驗(yàn)觀察。
當(dāng)粒子和波遇到物體的邊緣并形成陰影時(shí)，它們的行為也會有所不同（圖5）。牛頓很快在他的1704本書“光子”中指出，“光從來不知道會跟隨彎曲的通道，也不會彎曲到陰影中”。這個(gè)概念與粒子理論是一致的，它提出光粒子必須總是以直線行進(jìn)。如果粒子遇到屏障的邊緣，那么它們將投射陰影，因?yàn)槲幢黄琳献钃醯牧Ｗ右砸粭l直線繼續(xù)，并且不能在邊緣后面散布。在宏觀尺度上，這一觀察結(jié)果幾乎是正確的，但它不符合從小得多的光衍射實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果。
當(dāng)光線穿過狹窄的狹縫時(shí)，光束擴(kuò)散并變得比預(yù)期的寬。這一基本重要的觀察結(jié)果為光波理論帶來了大量的可信度。像水中的波浪一樣，遇到物體邊緣的光波似乎圍繞邊緣彎曲并進(jìn)入其幾何陰影，這是一個(gè)不直接被光束照射的區(qū)域。這種行為類似于纏繞在木筏端部的水波，而不是反射。
在牛頓和惠更斯提出他們的理論近一百年后，一位名叫托馬斯揚(yáng)的英國物理學(xué)家進(jìn)行了一個(gè)強(qiáng)烈支持光的波浪性的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樗嘈殴馐怯刹ńM成的，所以楊認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)光波相遇時(shí)會發(fā)生某種類型的相互作用。為了檢驗(yàn)這個(gè)假設(shè)，他使用了一個(gè)包含一個(gè)狹窄狹縫的屏幕，從普通太陽光中產(chǎn)生一個(gè)相干光束（包含相位傳播的波）。當(dāng)太陽光線遇到狹縫時(shí)，它們散開或衍射產(chǎn)生單個(gè)波前。如果允許該前端照亮具有兩個(gè)緊密間隔的狹縫的第二個(gè)屏幕，則產(chǎn)生兩個(gè)額外的相干光源，完美地彼此分步（見圖6）。光線從每個(gè)狹縫行進(jìn)到兩個(gè)狹縫中間的一個(gè)點(diǎn)上，應(yīng)該*按步驟到達(dá)。由此產(chǎn)生的波浪應(yīng)該相互加強(qiáng)以產(chǎn)生更大的波浪。但是，如果考慮中心點(diǎn)任一側(cè)的點(diǎn)，則來自一個(gè)狹縫的光線必須行進(jìn)得更遠(yuǎn)才能到達(dá)中心點(diǎn)另一側(cè)的第二個(gè)點(diǎn)。從距離第二點(diǎn)較近的狹縫發(fā)出的光將在遠(yuǎn)處的狹縫發(fā)出光線之前到達(dá)，這樣兩個(gè)波會彼此不同步，并可能相互抵消而產(chǎn)生黑暗。
正如他懷疑的那樣，揚(yáng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)诙M狹縫中的光波散開（或衍射）時(shí)，它們相遇并重疊。在某些情況下，重疊將兩個(gè)波*組合在一起。但是，在其他情況下，光波彼此稍微或*失步地結(jié)合。年輕人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浪潮相遇時(shí)，他們通過被稱為建設(shè)性干涉的過程加在一起。不合時(shí)宜的浪潮將相互抵消，這種現(xiàn)象被稱為破壞性現(xiàn)象干擾。在這兩個(gè)之間，會出現(xiàn)不同程度的相長和相消干涉，以產(chǎn)生具有寬幅振幅的波。young能夠觀察到放置在兩個(gè)狹縫后面一定距離處的屏幕上的干擾的影響。被衍射后，通過干涉重新組合的光沿屏幕長度產(chǎn)生一系列明亮和黑暗的條紋。
盡管看起來很重要，但當(dāng)時(shí)楊的結(jié)論并未得到廣泛接受，主要原因是對粒子理論有著的信仰。除了他對光干涉的觀察之外，young還假定不同顏色的光由不同長度的波組成，這是當(dāng)今被廣泛接受的基本概念。相比之下，粒子理論提倡設(shè)想，各種顏色來自具有不同質(zhì)量或以不同速度行進(jìn)的粒子。
干涉效果不限于光線。水池或池塘表面產(chǎn)生的波浪會向四面八方蔓延，并發(fā)生相同的行為。兩個(gè)波在一起相遇時(shí)，它們將通過相長干涉相加在一起以形成更大的波。碰撞不合拍的波浪將通過破壞性干擾相互抵消，并在水面上產(chǎn)生水平表面。
仔細(xì)檢查交叉偏振片之間的光束行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)了更多的光波狀特征的證據(jù)（圖7）。偏振濾光片具有*的分子結(jié)構(gòu)，只允許具有單一取向的光線通過。換句話說，偏振片可以被認(rèn)為是一種特殊類型的分子威尼斯百葉窗，其具有在偏振材料內(nèi)沿單一方向取向的微小排條狀板條。如果允許光束撞擊偏振器，則只有平行于偏振方向取向的光線能夠穿過偏振器。如果第二偏振片位于偏振片的后方并沿同一方向取向，則通過偏振片的光也將通過第二偏振片。
但是，如果第二偏振器以小角度旋轉(zhuǎn)，則通過的光量將減少。當(dāng)?shù)诙馄D(zhuǎn)使得取向垂直于偏光片的方向時(shí)，則通過偏光片的光線將不會穿過第二偏光片。這種效應(yīng)很容易用波動理論來解釋，但是沒有對粒子理論的操縱可以解釋第二偏振器如何阻擋光線。事實(shí)上，粒子理論也不足以解釋干涉和衍射，后來發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)是同一現(xiàn)象的表現(xiàn)。
偏振光觀察到的效應(yīng)對于光由橫向波組成的橫向波的概念的發(fā)展至關(guān)重要，該橫向波具有垂直于傳播方向的分量。每個(gè)橫向部件必須具有特定的定向方向，使其能夠穿過偏振器或被偏振器阻擋。只有橫向分量與偏振濾波器平行的波才會通過，其他所有波都會被阻擋。
到了19世紀(jì)中葉，科學(xué)家們越來越相信光的波浪般的特征，但仍然存在著一個(gè)咄咄逼人的問題。究竟是什么光？英國物理學(xué)家james clerk maxwell發(fā)現(xiàn)，所有形式的電磁輻射都代表連續(xù)光譜，并以相同的速度通過真空，每秒186,000英里。麥克斯韋的發(fā)現(xiàn)有效地釘住了粒子理論的棺材，到了20世紀(jì)初，似乎光和光學(xué)理論的基本問題終于得到了回答。
19世紀(jì)80年代末，科學(xué)家*發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，光可以將電子從幾種金屬的原子上移走（圖8），波浪理論的一個(gè)重大打擊發(fā)生在幕后。雖然起初只有一個(gè)奇怪的和無法解釋的現(xiàn)象，但很快發(fā)現(xiàn)，紫外光可以緩解各種金屬中的電子原子以產(chǎn)生正電荷。德國物理學(xué)家philipp lenard對這些觀察產(chǎn)生了興趣，他稱之為光電效應(yīng)。lenard使用棱鏡將白光分解為各種顏色，然后選擇性地將每種顏色聚焦到金屬板上以排除電子。
萊納德發(fā)現(xiàn)困惑和驚訝他。對于特定波長的光（例如藍(lán)色），電子產(chǎn)生恒定的電位或固定的能量。減少或增加產(chǎn)生的光量會相應(yīng)增加或減少釋放的電子數(shù)量，但每個(gè)仍保持相同的能量。換句話說，逃離原子鍵的電子的能量取決于光的波長，而不是強(qiáng)度。這與波動理論預(yù)期的情況相反。萊納德還發(fā)現(xiàn)了波長與能量之間的聯(lián)系：較短的波長產(chǎn)生了具有較大能量的電子。
19世紀(jì)初，威廉海德沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽光譜不是一個(gè)連續(xù)的光帶，而是包含了數(shù)百個(gè)缺失的波長，為光與原子之間的連接奠定了基礎(chǔ)。德國物理學(xué)家約瑟夫馮弗勞恩霍夫繪制了超過500條對應(yīng)于缺失波長的窄線，他們將信件分配給了大的空白。后來發(fā)現(xiàn)，間隙是由太陽外層原子吸收特定波長而產(chǎn)生的。這些觀察結(jié)果是原子和光之間的個(gè)聯(lián)系，盡管當(dāng)時(shí)并沒有理解其基本影響。
1905年，阿爾伯特愛因斯坦假設(shè)光實(shí)際上可能具有一些粒子特征，而不管大量的證據(jù)表明波浪性質(zhì)。在量子理論發(fā)展過程中，愛因斯坦數(shù)學(xué)表明，附著在金屬原子上的電子可以吸收特定數(shù)量的光（首先稱為量子，但后來變成光子），從而有能量逸出。他還推測，如果一個(gè)光子的能量與波長成反比，那么較短的波長將產(chǎn)生具有較高能量的電子，這個(gè)假設(shè)實(shí)際上源于lenard的研究結(jié)果。
20世紀(jì)20年代，愛因斯坦的理論在美國物理學(xué)家阿瑟·康普頓的實(shí)驗(yàn)中得到了鞏固，他證明光子具有動量，是支持物質(zhì)和能量可以互換的理論的必要條件。與此同時(shí)，法國科學(xué)家路易 - 維克多德布羅意提出，所有物質(zhì)和輻射都具有類似于粒子和波的特性。按照馬克斯普朗克的領(lǐng)導(dǎo)，德布羅意推斷愛因斯坦有關(guān)質(zhì)量和能量的著名公式，其中包括普朗克常數(shù)：
e = mc2=hν
其中e是粒子的能量，m是質(zhì)量，c是光速，h是普朗克常數(shù)，ν是頻率。德布羅意的工作將波的頻率與粒子的能量和質(zhì)量聯(lián)系起來，這對于一個(gè)新領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要，該領(lǐng)域終將被用于解釋光的波浪狀和粒子狀特征。量子力學(xué)誕生于愛因斯坦，普朗克，德布羅意，尼爾斯玻爾，歐文薛定諤等人的研究，他們試圖解釋電磁輻射如何顯示現(xiàn)在被稱為二元性的東西，或者既有顆粒狀又有波狀的行為。有時(shí)光的行為像一個(gè)粒子，在其他時(shí)候像一個(gè)波。這種光行為的互補(bǔ)或雙重作用可以用來描述實(shí)驗(yàn)觀察到的所有已知特征，包括折射，反射，干涉和衍射，以及偏振光和光電效應(yīng)的結(jié)果。綜合起來，光的特性一起工作，讓我們觀察宇宙之美。