人類對(duì)于客觀世界的認(rèn)知，首先依賴于人類身體的感覺(jué)器官對(duì)世界的感知，而認(rèn)知的絕大部分來(lái)自于視覺(jué)，或者說(shuō)來(lái)自于光。

光是最接近世界本質(zhì)的存在，從某種意義上來(lái)說(shuō)，對(duì)光的本質(zhì)的研究引領(lǐng)了物理學(xué)的革命，光的歷史構(gòu)筑了物理學(xué)的歷史。

黑洞邊緣的光

光一直以來(lái)都是哲學(xué)家和科學(xué)家的興致所在。赫拉克利特說(shuō)，光是燃燒的過(guò)程，而非燃燒的東西；牛頓認(rèn)為光既在同一直線上相繼，又在不同直線上同時(shí)；愛(ài)因斯坦考慮到，光速是不受時(shí)間約束，永恒不變的存在。光的歷史大體可分成三個(gè)階段：幾何光學(xué)、具象光學(xué)和抽象光學(xué)。

幾何光學(xué)

正如幾何學(xué)被應(yīng)用于研究物質(zhì)那樣，有關(guān)光學(xué)的論證都立足于經(jīng)驗(yàn)引出的事實(shí)上。——惠更斯。

人類早期的光學(xué)研究為幾何光學(xué)，把光作為一種幾何概念的存在，主要觀察光的直線傳播、反射規(guī)律、透鏡成像等經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題，不涉及光的本質(zhì)，但仍然蘊(yùn)含著哲理。

月食

戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨翟在《墨經(jīng)》中就提到了光和影的關(guān)系，認(rèn)為光從物體發(fā)出或被物體反射，從而被眼睛看見(jiàn)。古希臘時(shí)期，阿那克西曼德特提出了月亮因反射太陽(yáng)的光線而發(fā)光，亞里士多德對(duì)眼睛向物體發(fā)出視線的說(shuō)法產(chǎn)生質(zhì)疑。公元前3世紀(jì)，歐幾里得在《反射光學(xué)》中，給出了人類在光學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)定量的反射定律，整個(gè)幾何光學(xué)的巔峰當(dāng)屬費(fèi)馬原理：光線傳播的路徑總是需時(shí)最少的路徑。

費(fèi)馬原理：光程泛函的變分為零δF(t)=0。

具象光學(xué)

“光的顏色多種多樣”與物體運(yùn)動(dòng)的不同方式有深刻聯(lián)系。——笛卡爾

關(guān)于光的認(rèn)知，真正走向近代科學(xué)的是達(dá)芬奇、伽利略和笛卡爾等人，笛卡爾在1635年的《折光學(xué)》中第一次假設(shè)平行于兩種介質(zhì)界面的速度分量不變，對(duì)折射定律進(jìn)行了理論推證，并首先提出了關(guān)于光的本性的兩種假說(shuō)，一種認(rèn)為光是類似微粒的一種物質(zhì)，后來(lái)成為牛頓支持的微粒說(shuō)；另一種認(rèn)為光是一種以”以太“為介質(zhì)的壓力，也就是惠更斯堅(jiān)持的波動(dòng)說(shuō)。

以太：所有的空間，甚至在恒星之外最遙遠(yuǎn)的距離上，都應(yīng)充滿著物質(zhì)。——笛卡爾

牛頓通過(guò)思考認(rèn)為，假如光是一種波，它應(yīng)當(dāng)同聲音一樣繞過(guò)障礙物，而不產(chǎn)生影子，又經(jīng)過(guò)雙折射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光線在不同的側(cè)面應(yīng)被賦予了不同的性質(zhì)，這一卓越的靈感使得牛頓加深了對(duì)波動(dòng)說(shuō)的反對(duì)，因?yàn)槿绻麎毫蛘卟▌?dòng)通過(guò)均勻介質(zhì)傳播而來(lái)，必定在所有側(cè)面都是相同的。

雙折射與偏振：光波電矢量振動(dòng)對(duì)于光的傳播方向失去對(duì)稱性

1672年，牛頓在《關(guān)于光和顏色的理論》中提出光的復(fù)合與色散：光不同顏色的微粒混合或分開(kāi)構(gòu)成了光的各種顏色。

光的色散實(shí)驗(yàn)：同一可折射性總是屬于同一顏色，同一顏色總是屬于同一可折射性。

我沒(méi)有把引力看作物體的基本屬性，我之所以有這樣的疑問(wèn)，是因?yàn)槲矣捎谌狈?shí)驗(yàn)而對(duì)它還不滿意。——牛頓

牛頓折射定律：入射正弦與折射正弦成一給定的比率。AD是入射角正弦，EF是折射角正弦。

1704年牛頓在《光學(xué)》中又將微粒說(shuō)與牛頓力學(xué)體系融為一體，合理地解釋了反射和折射定律，由此光的微粒說(shuō)占據(jù)上風(fēng)。

光的波動(dòng)說(shuō)：以蠟燭火焰的ABC三點(diǎn)為中心作出的同心圓表示來(lái)自它們的光波

另一種是惠更斯堅(jiān)持的波動(dòng)說(shuō)，惠更斯認(rèn)為，假設(shè)光是一種微粒，那么光在交叉時(shí)就會(huì)發(fā)生碰撞而改變方向。1690年，惠更斯在《光論》中建立了惠更斯原理：介質(zhì)中任一波陣面上的各點(diǎn)，都是發(fā)射子波的新波源，其后任意時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波陣面。根據(jù)此原理，可以完美地推導(dǎo)出光的反射和折射定律。

反射定律

惠更斯反射定律：CB是入射光，AC表示入射光波的一部分（光波中心無(wú)限遠(yuǎn)，AC可視為一條直線），圓弧SNR以A為圓心，以AG為半徑，另外三條圓弧分別以三個(gè)K為圓心，以三個(gè)KM為半徑。直線BN是四條圓弧唯一的公切線，因此反射光只能沿著AN方向。根據(jù)三角形相似性，入射角∠CBA等于反射角∠NAB。

折射定律

惠更斯折射定律：DA是入射光，AC是入射光線的一部分，假定光波在介質(zhì)中傳播速度會(huì)減慢，因此以A為圓心產(chǎn)生的球面波SNR的半徑小于BC，同理K點(diǎn)產(chǎn)生的球面波等比例的小于HK，則BN是所有圓弧的公切線，從A點(diǎn)作BN的垂線AN，就表示折射光。

1801年，托馬斯楊進(jìn)行了著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，光屏上出現(xiàn)了明暗相間的黑白條紋，并首次提出了光是一種橫波以及光的干涉現(xiàn)象，后來(lái)菲涅耳用兩個(gè)平面鏡產(chǎn)生的相干光源完成了光的干涉實(shí)驗(yàn)，夫瑯禾費(fèi)通過(guò)光柵發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象，光的波動(dòng)說(shuō)逐漸牢固。

夫瑯禾費(fèi)衍射

在這個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，人們對(duì)光波的理解僅僅局限于某種介質(zhì)的力學(xué)振動(dòng)，眾所周知的“以太”就是所謂光的載體。

抽象光學(xué)

1865年，麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組，推出電磁場(chǎng)的擾動(dòng)以“以太”為介質(zhì)振動(dòng)傳播，并計(jì)算出光速為每秒31萬(wàn)千米（?2ψ/?t2-c2?2ψ/?x2=0）。1887年，邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)否定了地球相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)，“以太”進(jìn)而失去了作為絕對(duì)參考系的價(jià)值，使得人們接受了電磁場(chǎng)本身就是物質(zhì)存在的一種形式，最終讓光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)論原理得到普遍認(rèn)同。

麥克斯韋方程組

1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，光的微粒性再一次被證實(shí)，1900年，普朗克首次提出量子化假設(shè)（ε=?ω），1905年愛(ài)因斯坦提出光量子假說(shuō)（E=hv），同年康普頓證明了X射線的微粒性（λ=h/mc2）。1923年，德布羅意提出的波粒二象性（λ=h/P），1927年湯姆生在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了電子束的波動(dòng)性質(zhì)。量子力學(xué)的建立沖破了把光僅僅理解為某種振動(dòng)的狹隘觀念，人們終于意識(shí)到光的抽象理念。

克西米爾效應(yīng)

20世紀(jì)后期，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到真空漲落存在虛光子（i-Photon），1948年，克西米爾發(fā)現(xiàn)了真空量子化的克西米爾效應(yīng)(F=-Cπ/d2)，1954年楊振寧創(chuàng)立了楊——米爾斯理論，基本粒子的行為不再符合對(duì)稱群描述。

楊——米爾斯理論

光是從黑暗之中噴薄而出一種原創(chuàng)的力量——啟蒙。

光既是粒子又是波，既確定又不確定，既是概率又是實(shí)體，光的概念由模糊到具象再到抽象，最終的“經(jīng)驗(yàn)”慢慢靠近最初的“印象”，似乎暗示了某種循環(huán)，蘊(yùn)藏著某種深刻的意義。

光在各種創(chuàng)世的神話之中象征著世界的秩序