Ánh sáng

Ánh sáng, ánh sáng nhìn thấy hay ánh sáng khả kiến là các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường của con người (tức là từ khoảng 380 nm đến 760 nm), còn gọi là vùng khả kiến. Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon. Ánh sáng có tốc độ rất nhanh, điều này dễ hiểu khi trời mưa, ta thấy tia sét xong rồi một lúc mới nghe thấy tiếng sấm.

Nguồn sáng chính trên Trái Đất là từ Mặt Trời. Ánh sáng mặt trời cung cấp năng lượng mà thực vật xanh sử dụng để tạo ra đường chủ yếu dưới dạng tinh bột, quá trình này được gọi là quang hợp. Trong lịch sử, một nguồn ánh sáng quan trọng khác đối với con người là lửa, từ lửa trại cổ xưa đến đèn dầu hỏa hiện đại. Với sự phát triển của đèn điện và hệ thống điện, ánh sáng điện đã thay thế ánh sáng nhiệt. Một số loài động vật tạo ra ánh sáng của riêng chúng, một quá trình gọi là phát quang sinh học. Ví dụ, đom đóm sử dụng ánh sáng để xác định vị trí bạn tình và mực quỷ sử dụng ánh sáng để ẩn mình khỏi con mồi.

Các tính chất cơ bản của ánh sáng nhìn thấy được như cường độ, hướng lan truyền, tần số hoặc bước sóng quang phổ và phân cực.  tốc độ của nó trong chân không, 299.792.458 mét mỗi giây, là một trong những hằng số nền tảng của thiên nhiên. Ánh sáng nhìn thấy được, như với tất cả các loại bức xạ điện từ (EMR), được tìm thấy bằng thực nghiệm luôn luôn di chuyển ở tốc độ này trong chân không.

Trong vật lý, thuật ngữ ánh sáng đôi khi dùng để chỉ bức xạ điện từ ở bất kỳ bước sóng nào, dù nhìn thấy hay không. Theo nghĩa này, tia gamma, tia X, sóng vi ba và sóng vô tuyến cũng là ánh sáng. Giống như tất cả các loại bức xạ EM, ánh sáng nhìn thấy lan truyền dưới dạng sóng. Tuy nhiên, năng lượng được truyền bởi sóng được hấp thụ tại các vị trí đơn lẻ theo cách các hạt được hấp thụ. Năng lượng hấp thụ của sóng EM được gọi là photon và đại diện cho lượng tử ánh sáng. Khi một sóng ánh sáng được biến đổi và hấp thụ dưới dạng photon, năng lượng của sóng ngay lập tức sụp đổ xuống một vị trí và vị trí này là nơi photon "đến". Đây là những gì được gọi là sự sụp đổ chức năng sóng. Bản chất ánh sáng giống như hạt và giống như sóng kép này được gọi là lưỡng tính sóng hạt. Nghiên cứu về ánh sáng, được gọi là quang học, là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý hiện đại.

Quang phổ điện từ và ánh sáng khả kiến 

Nói chung, bức xạ EM (ký hiệu "bức xạ" không bao gồm điện tĩnh, từ trường và trường gần), hoặc EMR, được phân loại theo bước sóng thành sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, phổ khả kiến mà chúng ta cảm nhận được như ánh sáng, tia cực tím, tia X., và tia gamma.

Hành vi của EMR phụ thuộc vào bước sóng của nó. Tần số cao hơn có bước sóng ngắn hơn, và tần số thấp hơn có bước sóng dài hơn. Khi EMR tương tác với các nguyên tử và phân tử đơn lẻ, hành vi của nó phụ thuộc vào lượng năng lượng trên mỗi lượng tử mà nó mang theo.

EMR trong vùng ánh sáng khả kiến bao gồm các lượng tử (gọi là photon) nằm ở đầu dưới của năng lượng có khả năng gây ra kích thích điện tử trong phân tử, dẫn đến những thay đổi trong liên kết hoặc hóa học của phân tử. Ở phần cuối thấp hơn của phổ ánh sáng nhìn thấy, EMR trở nên vô hình đối với con người (tia hồng ngoại) vì các photon của nó không còn đủ năng lượng riêng lẻ để gây ra sự thay đổi phân tử lâu dài (sự thay đổi về cấu trúc) trong phân tử thị giác võng mạc của con người, mà thay đổi kích hoạt cảm giác thị giác.

Có những loài động vật nhạy cảm với nhiều loại tia hồng ngoại khác nhau, nhưng không phải bằng phương pháp hấp thụ lượng tử. Cảm biến tia hồng ngoại ở rắn phụ thuộc vào một loại hình ảnh nhiệt tự nhiên, trong đó các gói nhỏ nước tế bào được tăng nhiệt độ bởi bức xạ hồng ngoại. EMR trong phạm vi này gây ra rung động phân tử và hiệu ứng sưởi ấm, đó là cách những động vật này phát hiện ra nó.

Trên phạm vi của ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng cực tím trở nên vô hình đối với con người, chủ yếu là do nó được hấp thụ bởi giác mạc dưới 360 nm và thấu kính bên trong dưới 400   nm. Hơn nữa, các tế bào hình que và tế bào hình nón nằm trong võng mạc của mắt người không thể phát hiện ra khoảng cách rất ngắn (dưới 360 nm) bước sóng tia cực tím và thực tế là bị tia cực tím làm hỏng. Nhiều động vật có mắt không cần thấu kính (chẳng hạn như côn trùng và tôm) có thể phát hiện tia cực tím, bằng cơ chế hấp thụ photon lượng tử, giống như cách thức hóa học mà con người phát hiện ánh sáng nhìn thấy.

Các nguồn khác nhau xác định ánh sáng nhìn thấy trong phạm vi hẹp 420–680 nm  rộng tới 380–800 nm. Trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng, mọi người có thể nhìn thấy tia hồng ngoại lên đến ít nhất 1050 nm; trẻ em và thanh niên có thể cảm nhận bước sóng cực tím xuống khoảng 310–313 nm.

Sự phát triển của thực vật cũng bị ảnh hưởng bởi quang phổ màu của ánh sáng, một quá trình được gọi là quá trình photomorphogenesis.

Tốc độ ánh sáng 
Tốc độ ánh sáng trong chân không được xác định chính xác là 299.792.458m/s (xấp xỉ 186.282 dặm mỗi giây). Giá trị cố định của tốc độ ánh sáng tính bằng đơn vị SI là kết quả của thực tế rằng mét hiện được định nghĩa theo tốc độ ánh sáng. Tất cả các dạng bức xạ điện từ đều chuyển động với tốc độ chính xác như nhau trong chân không.

Các nhà vật lý khác nhau đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng trong suốt lịch sử. Galileo đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng vào thế kỷ XVII. Một thí nghiệm ban đầu để đo tốc độ ánh sáng được tiến hành bởi Ole Rømer, một nhà vật lý người Đan Mạch, vào năm 1676. Sử dụng kính thiên văn, Rømer quan sát chuyển động của Sao Mộc và một trong những mặt trăng của nó, Io. Nhận thấy sự khác biệt trong chu kỳ biểu kiến của quỹ đạo Io, ông tính toán rằng ánh sáng mất khoảng 22 phút để đi qua đường kính của quỹ đạo Trái Đất. Tuy nhiên, kích thước của nó vẫn chưa được biết đến vào thời điểm đó. Nếu Rømer biết đường kính của quỹ đạo Trái Đất, Rømer sẽ tính được tốc độ ánh sáng là 227.000.000 m/s.

Một phép đo khác chính xác hơn về tốc độ ánh sáng đã được Hippolyte Fizeau thực hiện ở châu Âu vào năm 1849. Fizeau hướng một chùm ánh sáng vào một tấm gương cách đó vài km. Một bánh răng quay được đặt trên đường truyền của chùm sáng khi nó đi từ nguồn, đến gương rồi quay trở lại điểm gốc. Fizeau nhận thấy rằng tại một tốc độ quay nhất định, chùm tia sẽ đi qua một khe hở trên bánh xe trên đường đi và khe hở tiếp theo trên đường quay trở lại. Biết khoảng cách đến gương, số răng trên bánh xe và tốc độ quay, Fizeau có thể tính được tốc độ ánh sáng là 313.000.000 m/s.

Léon Foucault đã thực hiện một thí nghiệm sử dụng gương quay để thu được giá trị 298.000.000 m/s vào năm 1862. Albert A. Michelson đã tiến hành các thí nghiệm về tốc độ ánh sáng từ năm 1877 cho đến khi ông qua đời năm 1931. Ông đã cải tiến các phương pháp của Foucault vào năm 1926 bằng cách sử dụng gương xoay cải tiến để đo thời gian cần ánh sáng để thực hiện một chuyến đi vòng từ Núi Wilson đến Núi San Antonio ở California. Các phép đo chính xác mang lại tốc độ 299.796.000 m/s.

Vận tốc hiệu quả của ánh sáng trong các chất trong suốt khác nhau chứa vật chất thông thường, là chậm hơn trong chân không. Ví dụ, tốc độ ánh sáng trong nước bằng 3/4 tốc độ trong chân không.

Hai nhóm các nhà vật lý độc lập được cho là đã đưa ánh sáng đến tốc độ "hoàn toàn bế tắc" bằng cách truyền nó qua chất ngưng tụ Bose – Einstein của nguyên tố rubidium, một nhóm tại Đại học Harvard và Viện Khoa học Rowland ở Cambridge, Massachusetts, và nhóm kia tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard – Smithsonian, cũng ở Cambridge. Tuy nhiên, mô tả phổ biến về việc ánh sáng bị "dừng lại" trong các thí nghiệm này chỉ đề cập đến việc ánh sáng được lưu giữ trong trạng thái kích thích của nguyên tử, sau đó được phát ra lại vào một thời điểm tùy ý sau đó, như được kích thích bởi xung laser thứ hai. Trong thời gian nó đã "dừng lại" nó đã không còn là ánh sáng nữa.

Quang học 
Nghiên cứu về ánh sáng và sự tương tác của ánh sáng và vật chất được gọi là quang học. Việc quan sát và nghiên cứu các hiện tượng quang học như cầu vồng và cực quang cung cấp nhiều manh mối về bản chất của ánh sáng.

Khúc xạ 

Khúc xạ là sự bẻ cong của các tia sáng khi đi qua một bề mặt giữa vật liệu trong suốt này và vật liệu khác. Nó được mô tả bởi Định luật Snell:

trong đó θ1 là góc giữa tia và bề mặt pháp tuyến trong môi trường thứ nhất, θ2 là góc giữa tia và bề mặt pháp tuyến trong môi trường thứ hai, và n1 và n2 là chiết suất, n = 1 trong chân không và n > 1 trong chất trong suốt.

Khi một chùm ánh sáng đi qua ranh giới giữa chân không và môi trường khác, hoặc giữa hai môi trường khác nhau, thì bước sóng của ánh sáng thay đổi, nhưng tần số không đổi. Nếu chùm ánh sáng không trực giao (hoặc đúng hơn là pháp tuyến) với biên, thì sự thay đổi bước sóng dẫn đến thay đổi hướng của chùm. Sự thay đổi hướng này được gọi là sự khúc xạ.

Chất lượng khúc xạ của thấu kính thường được sử dụng để điều khiển ánh sáng nhằm thay đổi kích thước biểu kiến của hình ảnh. Kính lúp, kính cận, kính áp tròng, kính hiển vi và kính thiên văn khúc xạ đều là những ví dụ về thao tác này.

Nguồn sáng 
Có nhiều loại nguồn sáng. Một vật thể ở nhiệt độ nhất định phát ra một quang phổ đặc trưng của bức xạ  vật đen. Một nguồn nhiệt đơn giản là ánh sáng mặt trời, bức xạ do sắc quyển của Mặt trời phát ra ở khoảng  đạt cực đại trong vùng nhìn thấy của quang phổ điện từ khi được vẽ bằng đơn vị bước sóng  và khoảng 44% năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới mặt đất có thể nhìn thấy được. Một ví dụ khác là bóng đèn sợi đốt, chỉ phát ra khoảng 10% năng lượng dưới dạng ánh sáng nhìn thấy và phần còn lại là tia hồng ngoại. Nguồn ánh sáng nhiệt phổ biến trong lịch sử là các hạt rắn phát sáng trong ngọn lửa, nhưng chúng cũng phát ra phần lớn bức xạ của chúng trong tia hồng ngoại, và chỉ một phần nhỏ trong quang phổ nhìn thấy được.

Đỉnh của quang phổ vật đen nằm trong vùng hồng ngoại sâu, ở bước sóng khoảng 10 micromet, đối với các vật thể tương đối mát như con người. Khi nhiệt độ tăng, đỉnh chuyển sang các bước sóng ngắn hơn, đầu tiên tạo ra ánh sáng màu đỏ, sau đó là màu trắng, và cuối cùng là màu trắng xanh khi cực điểm di chuyển ra khỏi phần nhìn thấy của quang phổ và đi vào vùng tử ngoại. Những màu này có thể được nhìn thấy khi kim loại được nung nóng đến "nóng đỏ" hoặc "nóng trắng". Sự phát xạ nhiệt màu trắng xanh không thường được nhìn thấy, ngoại trừ ở các ngôi sao (màu xanh lam tinh khiết thường thấy trong ngọn lửa khí hoặc ngọn đuốc của thợ hàn trên thực tế là do phát xạ phân tử, đặc biệt là bởi các gốc CH (phát ra dải bước sóng khoảng 425 nm, và không được nhìn thấy trong các ngôi sao hoặc bức xạ nhiệt thuần túy).

Nguyên tử phát ra và hấp thụ ánh sáng với năng lượng đặc trưng. Điều này tạo ra " vạch phát xạ " trong quang phổ của mỗi nguyên tử. Sự phát xạ có thể là tự phát, như trong điốt phát sáng, đèn phóng điện (như đèn neon và bảng hiệu đèn neon, đèn hơi thủy ngân, v.v.) và ngọn lửa (ánh sáng từ chính khí nóng — vì vậy, ví dụ, natri trong ngọn lửa khí phát ra ánh sáng vàng đặc trưng). Sự phát xạ cũng có thể được kích thích, như trong tia laser hoặc máy nghiền vi sóng.

Sự giảm tốc của một hạt mang điện tự do, chẳng hạn như một electron, có thể tạo ra bức xạ nhìn thấy được: bức xạ cyclotron, bức xạ synchrotron và bức xạ bremsstrahlung đều là những ví dụ về điều này. Các hạt di chuyển trong môi trường nhanh hơn vận tốc pha của ánh sáng trong môi trường đó có thể tạo ra bức xạ Cherenkov nhìn thấy được. Một số hóa chất tạo ra bức xạ có thể nhìn thấy bằng phát quang hóa học. Ở các sinh vật, quá trình này được gọi là quá trình phát quang sinh học. Ví dụ, đom đóm tạo ra ánh sáng bằng phương tiện này, và thuyền di chuyển trong nước có thể làm nhiễu động sinh vật phù du tạo ra ánh sáng hắt lên.

Một số chất nhất định tạo ra ánh sáng khi chúng được chiếu sáng bởi bức xạ có năng lượng cao hơn, một quá trình được gọi là huỳnh quang. Một số chất phát ra ánh sáng chậm sau khi bị kích thích bởi bức xạ có năng lượng lớn hơn. Đây được gọi là hiện tượng lân quang. Các vật liệu lân quang cũng có thể bị kích thích bằng cách bắn phá chúng bằng các hạt hạ nguyên tử. Cathodoluminescence là một ví dụ. Cơ chế này được sử dụng trong máy thu hình ống tia âm cực và màn hình máy tính.

Một số cơ chế khác có thể tạo ra ánh sáng:

 Phát quang sinh học
 Bức xạ Cherenkov
 Điện phát Quang
 Khoa học viễn tưởng
 Sonoluminescence
 Triboluminescence

Khi khái niệm ánh sáng được dự định bao gồm các photon năng lượng rất cao (tia gamma), các cơ chế tạo ra bổ sung bao gồm:

 Sự hủy diệt hạt - phản hạt
 Phân rã phóng xạ

Đơn vị và phép đo 
Ánh sáng được đo bằng hai bộ đơn vị thay thế chính: đo bức xạ bao gồm các phép đo công suất ánh sáng ở tất cả các bước sóng, trong khi trắc quang đo ánh sáng có bước sóng có trọng số đối với mô hình chuẩn hóa về nhận thức độ sáng của con người. Phép đo quang rất hữu ích, ví dụ, để định lượng Độ chiếu sáng (chiếu sáng) dành cho con người. Các đơn vị SI của cả hai hệ thống được tóm tắt trong bảng sau.

Các đơn vị đo quang khác với hầu hết các hệ thống đơn vị vật lý ở chỗ chúng tính đến cách mắt người phản ứng với ánh sáng. Các tế bào hình nón trong mắt người có ba loại phản ứng khác nhau trên phổ khả kiến và phản ứng tích lũy đạt cực đại ở bước sóng khoảng 555   nm. Do đó, hai nguồn sáng tạo ra cùng cường độ (W/m²) ánh sáng nhìn thấy không nhất thiết phải xuất hiện sáng như nhau. Các đơn vị đo quang được thiết kế để tính đến điều này, và do đó, là sự thể hiện tốt hơn mức độ "sáng" của một ánh sáng so với cường độ thô. Chúng liên quan đến nguồn điện thô bằng một đại lượng gọi là hiệu suất phát sáng và được sử dụng cho các mục đích như xác định cách tốt nhất để đạt được đủ ánh sáng cho các nhiệm vụ khác nhau ở các cài đặt trong nhà và ngoài trời. Độ chiếu sáng được đo bằng cảm biến tế bào quang học không nhất thiết phải tương ứng với những gì mắt người cảm nhận được và không có bộ lọc có thể tốn kém, tế bào quang điện và thiết bị tích điện (CCD) có xu hướng phản ứng với một số tia hồng ngoại, tia cực tím hoặc cả hai.

Áp lực ánh sáng 
Ánh sáng gây áp lực vật lý lên các vật thể trên đường đi của nó, một hiện tượng có thể được suy ra bằng phương trình Maxwell, nhưng có thể dễ dàng giải thích hơn bằng bản chất hạt của ánh sáng: các photon va chạm và truyền động lượng của chúng. Áp suất ánh sáng bằng công suất của chùm sáng chia cho c, tốc độ ánh sáng. Do độ lớn của c nên tác dụng của áp suất ánh sáng đối với các vật hàng ngày là không đáng kể. Ví dụ, một con trỏ laser một miliwatt tác động một lực khoảng 3,3 piconewton lên vật thể được chiếu sáng; do đó, người ta có thể nâng một đồng xu bằng con trỏ laser, nhưng làm như vậy sẽ cần khoảng 30 tỷ con trỏ laser 1 mW.  Tuy nhiên, trong các ứng dụng quy mô nanomet như hệ thống cơ điện tử nano (NEMS), ảnh hưởng của áp suất ánh sáng là đáng kể hơn, và việc khai thác áp suất ánh sáng để điều khiển các cơ chế NEMS và lật công tắc vật lý quy mô nanomet trong các mạch tích hợp là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Ở quy mô lớn hơn, áp suất ánh sáng có thể khiến các tiểu hành tinh quay nhanh hơn, tác động lên các hình dạng bất thường của chúng như trên các cánh của cối xay gió. Khả năng tạo ra những cánh buồm mặt trời có thể tăng tốc tàu vũ trụ trong không gian cũng đang được điều tra.

Mặc dù chuyển động của máy đo bức xạ Crookes ban đầu được cho là do áp suất ánh sáng, cách giải thích này không chính xác; sự quay Crookes đặc trưng là kết quả của chân không một phần. Điều này không nên nhầm lẫn với các máy đo bức xạ Nichols, trong đó (nhẹ) chuyển động gây ra bởi mô-men xoắn (mặc dù không đủ để xoay đầy đủ chống lại ma sát) được trực tiếp gây ra bởi áp lực ánh sáng. Do hệ quả của áp suất ánh sáng, Einstein  vào năm 1909 đã tiên đoán về sự tồn tại của "ma sát bức xạ" sẽ chống lại sự chuyển động của vật chất. Ông viết, "bức xạ sẽ gây áp lực lên cả hai mặt của tấm. Lực tác dụng lên hai mặt bằng nhau nếu tấm ở trạng thái nghỉ. Tuy nhiên, nếu nó đang chuyển động, nhiều bức xạ sẽ được phản xạ trên bề mặt phía trước trong quá trình chuyển động (bề mặt phía trước) hơn bề mặt phía sau. Do đó, lực tác dụng ngược của áp suất tác dụng lên bề mặt phía trước lớn hơn lực tác động lên mặt sau. Do đó, là kết quả của hai lực, vẫn còn một lực chống lại chuyển động của tấm và lực đó tăng lên theo vận tốc của tấm. Chúng ta sẽ gọi ngắn gọn kết quả này là 'ma sát bức xạ'. "

Thông thường động lượng ánh sáng phù hợp với hướng chuyển động của nó. Tuy nhiên, ví dụ trong sóng phát ra xung lượng là phương ngang với hướng truyền.

Các lý thuyết lịch sử về ánh sáng, theo trình tự thời gian 
Trong lịch sử khám phá, đã có nhiều lý thuyết để giải thích các hiện tượng tự nhiên liên quan đến ánh sáng. Dưới đây trình bày các lý thuyết quan trọng, theo trình tự lịch sử.

Hy Lạp cổ đại và Hellenism 
Vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, Empedocles đã mặc định rằng mọi thứ đều được cấu tạo từ bốn yếu tố; lửa, không khí, đất và nước. Ông tin rằng Aphrodite đã tạo ra mắt người từ bốn yếu tố và cô ấy đã thắp sáng ngọn lửa trong mắt mà ánh sáng đó sẽ tỏa ra từ mắt giúp cho thị giác có thể nhìn thấy được. Nếu điều này là đúng, thì người ta có thể nhìn thấy vào ban đêm cũng như ban ngày, vì vậy Empedocles đã giả định sự tương tác giữa các tia từ mắt và các tia từ một nguồn như mặt trời.

Vào khoảng 300 năm trước Công nguyên, Euclid đã viết Optica, trong đó ông nghiên cứu các đặc tính của ánh sáng. Euclid giả định rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng và ông mô tả các định luật phản xạ và nghiên cứu chúng bằng toán học. Anh ta đặt câu hỏi rằng thị giác là kết quả của một chùm tia từ mắt, vì anh ta hỏi làm thế nào người ta nhìn thấy các ngôi sao ngay lập tức, nếu một người nhắm mắt, rồi mở chúng ra vào ban đêm. Nếu chùm tia từ mắt truyền đi nhanh vô hạn thì đây không phải là vấn đề.

Vào năm 55 trước Công nguyên, Lucretius, một người La Mã tiếp nối ý tưởng của các nhà nguyên tử Hy Lạp trước đó, đã viết rằng "Ánh sáng và sức nóng của mặt trời; chúng bao gồm các nguyên tử nhỏ, khi chúng bị đẩy ra, không mất thời gian bắn qua khoảng không khí theo hướng được truyền qua bởi xô đẩy. " (từ Về bản chất của Vũ trụ). Mặc dù tương tự với các lý thuyết hạt sau này, quan điểm của Lucretius thường không được chấp nhận. Ptolemy (khoảng thế kỷ thứ 2) đã viết về sự khúc xạ ánh sáng trong cuốn sách Quang học của mình.

Ấn Độ cổ đại 
Ở Ấn Độ cổ đại, các trường phái Hindu Samkhya và Vaishedhika, từ khoảng những thế kỷ đầu sau Công nguyên đã phát triển các lý thuyết về ánh sáng. Theo trường phái Samkhya, ánh sáng là một trong năm yếu tố cơ bản "vi tế" (tanmatra) trong đó nổi lên các yếu tố thô. Tính nguyên tử của những nguyên tố này không được đề cập cụ thể và có vẻ như chúng thực sự được coi là liên tục. Mặt khác, trường phái Vaishedhika đưa ra lý thuyết nguyên tử về thế giới vật chất trên mặt đất phi nguyên tử của ête, không gian và thời gian. (Xem thuyết nguyên tử của Ấn Độ.) Các nguyên tử cơ bản là của đất (prthivi), nước (pani), lửa (agni) và không khí (vayu) Các tia sáng được coi là một dòng nguyên tử tejas (lửa) vận tốc cao. Các hạt ánh sáng có thể thể hiện các đặc điểm khác nhau tùy thuộc vào tốc độ và sự sắp xếp của các nguyên tử tejas.    Vishnu Purana gọi ánh sáng mặt trời là "bảy tia sáng của mặt trời".

Các Phật tử Ấn Độ, chẳng hạn như Dignāga vào thế kỷ thứ 5 và Dharmakirti vào thế kỷ thứ 7, đã phát triển một loại thuyết nguyên tử là một triết lý về thực tại bao gồm các thực thể nguyên tử là những tia sáng hoặc năng lượng chớp nhoáng nhất thời. Họ coi ánh sáng là một thực thể nguyên tử tương đương với năng lượng.

Descartes 
René Descartes (1596–1650) cho rằng ánh sáng là đặc tính cơ học của vật thể phát sáng, bác bỏ "dạng" của Ibn al-Haytham và Witelo cũng như "loài" của Bacon, Grosseteste và Kepler. Năm 1637, ông công bố lý thuyết về sự khúc xạ ánh sáng, giả định rằng ánh sáng truyền đi nhanh hơn trong môi trường đặc hơn so với trong môi trường ít đặc hơn. Descartes đưa ra kết luận này bằng cách tương tự với hành vi của sóng âm thanh.   Mặc dù Descartes không chính xác về tốc độ tương đối, nhưng ông đã đúng khi cho rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng và kết luận rằng khúc xạ có thể được giải thích bằng tốc độ ánh sáng trong các phương tiện khác nhau.

Descartes không phải là người đầu tiên sử dụng phép loại suy cơ học nhưng vì ông khẳng định rõ ràng rằng ánh sáng chỉ là đặc tính cơ học của vật thể phát sáng và môi trường truyền dẫn, lý thuyết về ánh sáng của Descartes được coi là khởi đầu của quang học vật lý hiện đại.

Lý thuyết hạt ánh sáng 

Pierre Gassendi (1592–1655), một nhà nguyên tử học, đã đề xuất một lý thuyết về hạt của ánh sáng được công bố sau những năm 1660. Isaac Newton đã nghiên cứu công trình của Gassendi ngay từ khi còn nhỏ, và thích quan điểm của ông hơn lý thuyết của Descartes về plenum. Ông tuyên bố trong Giả thuyết về ánh sáng năm 1675 của mình rằng ánh sáng bao gồm các tiểu thể (các hạt vật chất) được phát ra theo mọi hướng từ một nguồn. Một trong những lập luận của Newton chống lại bản chất sóng của ánh sáng là sóng được biết là có thể uốn cong quanh các chướng ngại vật, trong khi ánh sáng chỉ truyền theo đường thẳng. Tuy nhiên, ông đã giải thích được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng (đã được Francesco Grimaldi quan sát thấy) bằng cách cho phép một hạt ánh sáng có thể tạo ra một làn sóng cục bộ trong aether.

Lý thuyết của Newton có thể được sử dụng để dự đoán sự phản xạ của ánh sáng, nhưng chỉ có thể giải thích sự khúc xạ bằng cách giả định không chính xác rằng ánh sáng được gia tốc khi đi vào một môi trường đặc hơn vì lực hấp dẫn lớn hơn. Newton đã xuất bản phiên bản cuối cùng của lý thuyết của mình trong tác phẩm Opticks năm 1704. Danh tiếng của ông đã giúp lý thuyết hạt ánh sáng tiếp tục giữ uy tín trong thế kỷ 18. Lý thuyết hạt của ánh sáng khiến Laplace lập luận rằng một vật thể có khối lượng lớn đến mức ánh sáng không thể thoát ra khỏi nó. Nói cách khác, nó sẽ trở thành cái mà bây giờ được gọi là lỗ đen. Laplace đã rút lại đề xuất của mình sau đó, sau khi lý thuyết sóng của ánh sáng đã được thiết lập vững chắc như là mô hình cho ánh sáng (như đã được giải thích, cả lý thuyết hạt hay sóng đều không hoàn toàn đúng). Bản dịch bài luận của Newton về ánh sáng xuất hiện trong Cấu trúc quy mô lớn của không-thời gian, của Stephen Hawking và George F. R. Ellis.

Thực tế là ánh sáng có thể bị phân cực lần đầu tiên được Newton giải thích một cách định tính bằng lý thuyết hạt. Étienne-Louis Malus năm 1810 đã tạo ra một lý thuyết hạt toán học về sự phân cực. Jean-Baptiste Biot năm 1812 đã chỉ ra rằng lý thuyết này giải thích tất cả các hiện tượng phân cực ánh sáng đã biết. Lúc đó sự phân cực được coi là bằng chứng của lý thuyết hạt.

Lý thuyết sóng ánh sáng 

Để giải thích nguồn gốc của màu sắc, Robert Hooke (1635–1703) đã phát triển một "lý thuyết xung" và so sánh sự lan truyền của ánh sáng với sự lan truyền của sóng trong nước trong tác phẩm năm 1665 của ông là Micrographia ("Quan sát IX"). Năm 1672, Hooke cho rằng dao động của ánh sáng có thể vuông góc với hướng truyền. Christiaan Huygens (1629–1695) đã đưa ra lý thuyết sóng toán học của ánh sáng vào năm 1678, và xuất bản nó trong cuốn luận thuyết về ánh sáng vào năm 1690. Ông đề xuất rằng ánh sáng được phát ra theo mọi hướng dưới dạng một chuỗi sóng trong một môi trường được gọi là Luminiferous ether. Vì sóng không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, nên người ta cho rằng chúng chậm lại khi đi vào một môi trường dày đặc hơn.

Lý thuyết sóng dự đoán rằng sóng ánh sáng có thể giao thoa với nhau giống như sóng âm thanh (như được ghi nhận vào khoảng năm 1800 bởi Thomas Young). Young đã chỉ ra bằng một thí nghiệm nhiễu xạ rằng ánh sáng hoạt động như sóng. Ông cũng đề xuất rằng các màu sắc khác nhau là do các bước sóng ánh sáng khác nhau tạo ra và giải thích khả năng nhìn màu về các thụ thể ba màu trong mắt. Một người ủng hộ lý thuyết sóng là Leonhard Euler. Ông lập luận trong Nova theoria lucis et colorum (1746) rằng nhiễu xạ có thể dễ dàng giải thích hơn bằng lý thuyết sóng. Năm 1816, André-Marie Ampère đã đưa ra ý tưởng cho Augustin-Jean Fresnel rằng sự phân cực của ánh sáng có thể được giải thích bằng lý thuyết sóng nếu ánh sáng là sóng ngang.

Sau đó, Fresnel đã độc lập nghiên cứu lý thuyết sóng ánh sáng của riêng mình, và trình bày nó cho Académie des Sciences năm 1817. Siméon Denis Poisson đã bổ sung vào công trình toán học của Fresnel để đưa ra một lập luận thuyết phục ủng hộ lý thuyết sóng, giúp lật ngược lý thuyết phân tử của Newton. Đến năm 1821, Fresnel đã có thể chỉ ra bằng các phương pháp toán học rằng sự phân cực có thể được giải thích bằng lý thuyết sóng của ánh sáng nếu và chỉ khi ánh sáng hoàn toàn là phương ngang, không có dao động dọc nào. 

Điểm yếu của lý thuyết sóng là sóng ánh sáng, giống như sóng âm thanh, sẽ cần một môi trường để truyền. Sự tồn tại của chất giả thuyết aether phát sáng do Huygens đề xuất năm 1678 đã bị nghi ngờ mạnh mẽ vào cuối thế kỷ XIX bởi thí nghiệm Michelson – Morley.

Lý thuyết phân tử của Newton ngụ ý rằng ánh sáng sẽ truyền đi nhanh hơn trong môi trường dày đặc hơn, trong khi lý thuyết sóng của Huygens và những người khác ngụ ý ngược lại. Vào thời điểm đó, tốc độ ánh sáng không thể được đo đủ chính xác để quyết định lý thuyết nào là đúng. Người đầu tiên thực hiện một phép đo đủ chính xác là Léon Foucault, vào năm 1850. Kết quả của ông đã ủng hộ lý thuyết sóng, và lý thuyết hạt cổ điển cuối cùng đã bị loại bỏ, chỉ một phần xuất hiện trở lại vào thế kỷ 20.

Lý thuyết điện từ 

Năm 1845, Michael Faraday phát hiện ra rằng mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực tuyến tính quay khi các tia sáng truyền dọc theo hướng từ trường với sự có mặt của chất điện môi trong suốt, một hiệu ứng ngày nay được gọi là quay Faraday. Đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy ánh sáng có liên quan đến điện từ. Năm 1846, ông suy đoán rằng ánh sáng có thể là một dạng nhiễu loạn nào đó lan truyền dọc theo các đường sức từ. Năm 1847, Faraday đề xuất rằng ánh sáng là một dao động điện từ tần số cao, có thể lan truyền ngay cả khi không có môi trường như ête.

Công việc của Faraday đã truyền cảm hứng cho James Clerk Maxwell nghiên cứu bức xạ điện từ và ánh sáng. Maxwell phát hiện ra rằng sóng điện từ tự lan truyền sẽ truyền trong không gian với một tốc độ không đổi, tương đương với tốc độ ánh sáng đã đo được trước đó. Từ đó, Maxwell kết luận rằng ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ: lần đầu tiên ông phát biểu kết quả này vào năm 1862 trên tạp chí On Physical Lines of Force. Năm 1873, ông xuất bản một luận thuyết về điện và từ, trong đó có một mô tả toán học đầy đủ về hoạt động của điện trường và từ trường, vẫn được gọi là phương trình Maxwell. Ngay sau đó, Heinrich Hertz đã xác nhận lý thuyết của Maxwell bằng thực nghiệm bằng cách tạo và phát hiện các sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm, và chứng minh rằng những sóng này hoạt động chính xác như ánh sáng nhìn thấy, thể hiện các đặc tính như phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và giao thoa. Lý thuyết của Maxwell và các thí nghiệm của Hertz đã trực tiếp dẫn đến sự phát triển của vô tuyến, radar, truyền hình, hình ảnh điện từ và truyền thông không dây hiện đại.

Trong lý thuyết lượng tử, các photon được xem như các gói sóng của các sóng được mô tả trong lý thuyết cổ điển của Maxwell. Lý thuyết lượng tử cần thiết để giải thích các hiệu ứng ngay cả với ánh sáng thị giác mà lý thuyết cổ điển của Maxwell không thể giải thích được (chẳng hạn như các vạch quang phổ).

Lý thuyết lượng tử ánh sáng 

Năm 1900, Max Planck, cố gắng giải thích bức xạ vật đen, cho rằng mặc dù ánh sáng là một sóng, nhưng những sóng này chỉ có thể thu được hoặc mất năng lượng với một lượng hữu hạn liên quan đến tần số của chúng. Planck gọi những "cục" năng lượng ánh sáng này là " lượng tử " (từ một từ tiếng Latinh có nghĩa là "bao nhiêu"). Năm 1905, Albert Einstein sử dụng ý tưởng về lượng tử ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện, và cho rằng những lượng tử ánh sáng này có sự tồn tại "thực". Năm 1923, Arthur Holly Compton đã chỉ ra rằng sự dịch chuyển bước sóng khi tia X cường độ thấp tán xạ từ các electron (gọi là tán xạ Compton) có thể được giải thích bằng lý thuyết hạt của tia X, nhưng không phải là lý thuyết sóng. Năm 1926, Gilbert N. Lewis đặt tên cho các hạt lượng tử ánh sáng này là photon.

Cuối cùng lý thuyết hiện đại của cơ học lượng tử đã hình dung ánh sáng (theo một nghĩa nào đó) vừa có tính chất của hạt vừa có tính chất của sóng hay còn gọi là lưỡng tính sóng-hạt, và (theo một nghĩa khác), như một hiện tượng không phải là hạt cũng không phải là sóng (thực chất là các hiện tượng vĩ mô, chẳng hạn như bóng chày hoặc sóng biển). Thay vào đó, vật lý hiện đại coi ánh sáng là thứ có thể được mô tả đôi khi bằng toán học thích hợp với một kiểu ẩn dụ vĩ mô (hạt), và đôi khi là một phép ẩn dụ vĩ mô khác (sóng nước), nhưng thực sự là một thứ không thể hình dung hết được. Như trong trường hợp đối với sóng vô tuyến và tia X liên quan đến tán xạ Compton, các nhà vật lý đã lưu ý rằng bức xạ điện từ có xu hướng hoạt động giống như sóng cổ điển ở tần số thấp hơn, nhưng giống hạt cổ điển hơn ở tần số cao hơn, nhưng không bao giờ mất đi hoàn toàn. phẩm chất của cái này hay cái khác. Ánh sáng nhìn thấy, chiếm tần số trung bình, có thể dễ dàng hiển thị trong các thí nghiệm để mô tả được bằng cách sử dụng mô hình sóng hoặc hạt, hoặc đôi khi cả hai.

Vào tháng 2 năm 2018, các nhà khoa học thông báo, lần đầu tiên, việc phát hiện ra một hình thức mới của ánh sáng, có thể liên quan đến polariton, đó có thể hữu ích trong việc phát triển các máy tính lượng tử.

Các hiện tượng quang học 
 Phản xạ
 Khúc xạ
 Tán xạ
 Nhiễu xạ
 Giao thoa
 Thấu kính hấp dẫn
 Hiệu ứng quang điện

Tham khảo

Xem thêm 
 Vận tốc ánh sáng

Liên kết ngoài 

 
 

Quang học
Thuật ngữ thiên văn học
Bài cơ bản dài trung bình
Phim trắng đen
Sóng điện từ