מבחינה מתמטית, האור מתואר כצירוף של פונקציות וקטורית לשדה החשמלי ולשדה המגנטי. משוואות מקסוול הן מערכת של ארבע משוואות דיפרנציאליות המתארות גל אלקטרומגנטי. פתרונות של המשוואות הם השדה החשמלי והמגנטי הווקטוריים כפונקציה של המיקום והזמן. בריק, פתרון המשוואות בקואורדינטות קרטזיות הוא גל מישורי, או סכום גלים מישוריים שונים, כתלות בתנאי השפה. בקואורדינטות פולריות בריק, פתרון המשוואות הוא פונקציות הרמוניות ספריות.
תורת הקוונטים.
בתורת הקוואנטים, חלקיקי חומר (למשל אלקטרונים) מקיימים את משוואת דיראק, ויכולים להימצא רק במצבים בדידים. אור נפלט ונבלע כאשר החלקיקים עוברים בין מצבים קוונטיים, לפי הפרש האנרגיה בין המצבים. כיוון שהמצבים בדידים, גם האנרגיות האפשריות של האור מגיעות בכפולות של יחידה בסיסית - קוונטה. תורת הקוונטים (מתארת מוליכים למחצה, שמהם עשוי טרנזיסטור במחשב, ונורת לד. תורת הקוונטים גם מתארת בדיוק גבוה מצבים אלקטרוניים באטום.
בקוונטיזציה שנייה האור מתואר כמצב פוק, שהוא תיאור של שדה קוונטי עם מספר חלקיקים משתנה. התורה מאפשרת תיאור של תגובות מורכבות בין אור לחומר, כגון פלזמון.
אלקטרודינמיקה קוונטית.
אלקטרודינמיקה קוונטית, או QED, היא תורת השדות הקוונטית שמתארת את הכח האלקטרומגנטי. QED היא אחד החלקים של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
חלקיק יסודי ב-QED נקרא שדה. כמו בתורת הקוונטים כל חלקיק הוא גם גל, בהתאם לסוג הניסוי שמבצעים. הפוטון (חלקיק האור) הוא חלקיק יסודי מסוג בוזון כיול, הוא נושא את הכוח האלקטרומגנטי, אך המטען החשמלי שלו שווה אפס. האלקטרודינמיקה הקוונטית מתארת את הקשרים בין הפוטון לחלקיקים יסודיים טעונים (לדוגמה אלקטרונים) בעיקר באמצעות חישובים של דיאגרמות פיינמן.
פוטון ב-QED הוא בוזון כיול שמייצג סימטריית כיול U(1) שנותרת מדויקת לאחר שבירת סימטריה ספונטנית במנגנון היגס, ומכיוון שהסימטריה שלמה הפוטון הוא חסר מסה. בוזוני הכיול המתארים את הסימטריות השבורות במנגנון היגס (W,Z) אחראים על הכוח הגרעיני החלש, והם בעלי מסה גדולה.
צבעים ואורכי גל.
אורך גל בפיזיקה הוא המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל. אורכי הגל השונים באור נקלטים בחיישנים שונים בעין ומתפרשים על ידי המוח האנושי כצבעים שונים, מאדום באורכי הגל הגדולים ביותר ועד סגול באורכי הגל הקצרים ביותר. ניתן לראות את קשת הצבעים ואורך הגל שלהם באיור. אורך הגל קשור ביחס הפוך לתדירות הגל, באמצעות הנוסחה:
formula_1, שבה formula_2 היא התדירות, formula_3 הוא אורך הגל ו-formula_4 היא מהירות האור.
התדירויות בספקטרום הנמצאות מיד מחוץ לטווח הראייה של העין האנושית נקראות על סגול (UV - UltraViolet) בתדירות הגבוהה ותת אדום (IR - InfraRed) בתדירות הנמוכה. ישנם בעלי חיים המסוגלים לראות על סגול (דבורים למשל), או תת-אדום (נחשים למשל). על אף שבני אדם לא יכולים לראות את סוגי האור הללו, ניתן לחוש בהשפעתם: תת-אדום בעוצמה מסוימת יכול לחמם את העור באופן מורגש, בעוד על סגול גורם לעור לאחר זמן מסוים לשיזוף. קיימות מצלמות היכולות לקלוט תת-אדום ולהמיר אותו לאות חשמלי ולתמונה. באופן דומה ניתן "לראות" אור על סגול על ידי המרתו לאור נראה באמצעות פלואורסצנציה.
אור מונוכרומטי הוא בעל אורך גל אחד, וצבעו יכול להיות אחד מצבעי הקשת בענן. מקורות תאורה שאינם חד-צבעיים פולטים אור שמורכב מכמה צבעים כאלו בו-זמנית ויוצרים צבעים אשר אינם בקשת הצבעים, למשל לבן, חום או ורוד. אוסף כל הצבעים, כולל המורכבים, ניתן להצגה על משטח, כמו באיור משמאל.
רכיבי הצבעים השונים באור ניתנים למדידה בספקטרומטר, שהוא מכשיר המפרק את האור לרכיבים מונוכרומטיים ומודד את עוצמתם בנפרד. שיטות הפירוק למרכיבים שונות ממכשיר למכשיר, ויכולות להיות מנסרה, סריג עקיפה או פילטר צר-סרט.
בעין, תאים הנקראים מדוכים, או תאי חרוט, אחראים על הפרדה לצבעים השונים (ראו ראייה). ישנם שלושה סוגי תאי צבע, שביחד מכסים את כל התחום הנראה. סוג S אחראי בעיקר על אור כחול, M על ירוק ו-L על אדום. ספקטרומים שונים מאוד יכולים לתת את אותה תחושת צבע בעין. לדוגמה, אור סגול יכול להיות "סגול אמיתי" - כלומר אור באורך גל 400 ננומטר, אך גם הרכבה של כחול ואדום, שביחד נראים בצבע סגול. זאת מכיוון שלחרוטים האדומים יש רגישות גם לאור כחול, כך שסגול אמיתי מפעיל גם תאים אדומים וגם כחולים ביחס מסוים, ולכן המוח מפרש שילוב של תאים אדומים וכחולים כסגול. עוד דוגמה היא אור לבן, אשר יכול להגיע מהשמש כספקטרום רציף בכל האור הנראה, אך גם כשילוב של אור כחול עם ירוק ואדום, כמו בתאורת לד.
מקורות תאורה.
השמש היא מקור האור העיקרי על פני כדור הארץ. קרינת השמש נובעת מהטמפרטורה הגבוהה שלה, כ-5,500 מעלות צלזיוס, בהתאם לחוק קרינת גוף שחור. עוצמת השמש המגיעה אלינו עצומה: כ-1000 וואט לכל מטר רבוע.
בלילה התאורה הטבעית מגיעה אלינו מהירח, אשר מחזיר את קרינת השמש הפוגעת בו לכוון כדור הארץ. הכוכבים (שמשות רחוקות מהשמש שלנו), וכוכבי-הלכת (הסובבים את השמש שלנו ומחזירים את אורה אלינו), יחד עם קרינת האטמוספירה (air-glow), תורמים יחד אור שעוצמתו כאחוז אחד מעוצמת הירח המלא.
בטבע קיימים מקורות תאורה אחרים כגון ברקים, שריפות, הרי געש, וכן תאורת בעלי חיים (גחליליות למשל) הנקראת ביולומינסנציה.
מקור התאורה המלאכותי הראשוני היה אש, עם עצים בוערים או גללים של בעלי חיים. עם התקדמות הטכנולוגיה התפתחו מקורות אש נוחים ונקיים יותר כגון נרות ופנסי גז.
כיום מרבית התאורה המלאכותית היא חשמלית. נורת להט (נורת ליבון) קורנת קרינת גוף שחור, אך הטמפרטורה שלה נמוכה יותר מהשמש - כ-2600 מעלות צלזיוס, ולכן אורה נוטה להיות צהוב יותר. אור הנפלט כתוצאה מקרינת גוף שחור הוא בעל ספקטרום רציף, כלומר מכיל את כל הצבעים בתחום רחב. נורת להט מפיצה אור רב גם בתחום התת-אדום שאינו נראה לעין ואינו תורם לתאורה, ולכן יעילותה נמוכה כמקור אור. קיימות נורות להט יעילות יותר מהנורה הרגילה: נורת הלוגן מגיעה לטמפרטורה גבוהה יותר, בזכות תוספים לגז הנמצא בתוך הנורה. נורת להט מצופה בציפוי המחזיר תת-אדום, קורנת אחוז גדול יותר של האנרגיה בתחום הנראה.
השוואה מספרית של יעילות מקורות אור שונים מוצגת בפרק #עוצמת אור ויחידות מדידה.
תאורה יעילה יותר משתמשת באור הנפלט כתוצאה ממעברי אנרגיה בדידים של אלקטרונים. כאשר אלקטרון חוזר מרמת אנרגיה גבוהה אל רמה נמוכה יותר, הוא פולט פוטון בעל אנרגיה ששווה להפרש האנרגיה בין הרמות, ולכן גם בעל צבע מתאים. רמת אנרגיה יכולה להיות שייכת לאטום בודד או למולקולה. אור שנפלט עקב מעברי אנרגיה בדידים הוא בעל ספקטרום בדיד, ומכיל רק צבעים מסוימים.
מקורות תאורה בדידים הם למשל נורות פריקה, כמו נורת כספית או נורה פלואורסצנטית, אשר אינן מחוממות לטמפרטורה גבוהה כמו נורת להט, אלא מופעלות באמצעות יינון הגז במתח חשמלי גבוה, אשר מקפיץ את האלקטרונים לרמה גבוהה. חזרה של האלקטרונים לרמה הנמוכה פולטת אור בצבעים בדידים. נורה פלואורסצנטית קומפקטית היא חלופה יעילה לנורת להט. נורת לד אף היא משתמשת באור הנפלט מרמות אנרגיה בדידות של מוליך למחצה, ויעילותה גבוהה יותר מנורה פלואורסצנטית.
לייזר הוא אור הנפלט כאשר מעבר אנרגיה מאולץ באמצעות פוטון אחר. במקרה זה הפוטונים הם בעלי אותו אורך גל במדויק (אותו צבע), ואותו המופע (נקודה במחזור הגל), והקרינה נקראת קוהרנטית. קרינה קוהרנטית יכולה להתמקד ביעילות גבוהה יותר עקב התאבכות בונה (שיאי הגל מופיעים יחד), ולכן היא מסוכנת יותר לעין.
קרינה זרחנית היא פליטה של אור בתגובה מושהה לבליעה של אור, והיא יכולה להיות טבעית או מלאכותית, כאשר האור הנפלט יכול להיות בצבע שונה מהאור הנבלע. עכביש הטרנטולה מצופה חומר זרחני שפולט אור כתוצאה מקרינה על-סגולה. גופים זרחניים יכולים להאיר גם שעות רבות ומשתמשים בהם למשל לציפוי מחוגי שעונים. קרינה זרחנית נובעת מכך שהקרינה הנבלעת העלתה אלקטרונים בחומר לרמת אנרגיה יציבה למחצה, שבה מעברי אנרגיה "אסורים" - הסיכוי של אלקטרון לבצע את המעבר נמוך מאוד, כך שלוקח לאלקטרון זמן רב לרדת לרמת היסוד ולפלוט פוטון. מסיבה זו לוקח לחומר זרחני זמן רב לפלוט את האנרגיה שנבלעה.
מהירות האור.
מהירות האור בריק היא בדיוק 299,792,458 מטרים לשנייה, על פי הגדרת המטר. את מהירות האור בריק מקובל לסמן באות c. מהירות האור בריק נשארת קבועה, ללא תלות במהירות הצופה או מקור האור, כפי שהוכח בניסוי מייקלסון-מורלי בשנת 1887. תוצאה זו מנוגדת לחוקי התנועה הקלאסיים שאנו חווים ביום-יום. על מנת ליישב תוצאה זו עם חוקי הפיזיקה, פיתח אלברט איינשטיין את תורת היחסות הפרטית אשר גרמה לשינוי מהותי בתפישת המרחב והזמן, והחליפה באופן סופי את תורת האתר. לא רק האור כפוף לחוקים אלו, אלא כל חלקיק חסר מסה ינוע במהירות האור בריק, למשל גלואון וגרוויטון, אם כי רק מהירות הפוטון ניתנת למדידה כיום. אחת התוצאות הנובעות מתורת היחסות היא שאינפורמציה אינה יכולה לעבור את מהירות האור, וכל גוף מסיבי לא יכול להאיץ למהירות האור, אלא רק להתקרב אליה. קיימים ניסויים למדידת המהירות של חלקיקים אחרים בעלי מסה קטנה, כמו ניוטרינו, אשר עד כה הראו שהמהירות תמיד קטנה ממהירות האור.
בתווך שקוף מהירות התקדמות האור (formula_5) נמוכה יותר ושווה למהירות האור בריק חלקי מקדם השבירה (formula_6) של החומר:
formula_7
ברוב המקרים מהירות האור בחומר קטנה או שווה למהירותו בריק, ולכן לרוב ערכו של מקדם השבירה הוא גדול או שווה 1.