Nguồn sáng chính trên Trái Đất là từMặt Trời.Ánh sáng mặt trời cung cấpnăng lượng màthực vật xanh sử dụng để tạo rađường chủ yếu dưới dạngtinh bột, quá trình này được gọi làquang hợp. Trong lịch sử, một nguồn ánh sáng quan trọng khác đối với con người làlửa, từ lửa trại cổ xưa đếnđèn dầu hỏa hiện đại. Với sự phát triển củađèn 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 làphát quang sinh học. Ví dụ,đom đóm sử dụng ánh sáng để xác định vị trí bạn tình vàmực quỷ sử dụng ánh sáng để ẩn mình khỏi con mồi.
Các tính chất cơ bản của ánh sáng nhìn thấy được nhưcường độ, hướng lan truyền, tần số hoặc bước sóngquang phổ vàphân cực.tốc độ của nó trong chân không, 299.792.458 mét mỗi giây, là một trong nhữnghằng 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.[2]
Trongvật lý, thuật ngữánh sáng đôi khi dùng để chỉ bức xạ điện từ ở bất kỳ bước sóng nào, dù nhìn thấy hay không.[3][4] Theo nghĩa này,tia gamma,tia X,sóng vi ba vàsóng 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 cholượng 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 sựsụp đổ chức năng sóng. Bản chất ánh sáng giống như hạt và giống như sóng kép này được gọi làlưỡng tính sóng hạt. Nghiên cứu về ánh sáng, được gọi làquang học, là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý hiện đại.
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 cáclượng tử (gọi làphoton) 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 giácvõng 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 loạihình 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 360nm và thấu kính bên trong dưới 400 nm. Hơn nữa, cáctế bào hình que vàtế bào hình nón nằm trongvõng 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[5][6] rộng tới 380–800 nm.[7][8] Trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng, mọi người có thể nhìn thấy tia hồng ngoại lên đến ít nhất 1050 nm;[9] trẻ em và thanh niên có thể cảm nhận bước sóng cực tím xuống khoảng 310–313 nm.[10][11][12]
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 trongchân 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.
Cácnhà 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 bởiOle Rømer, một nhà vật lý người Đan Mạch, vào năm 1676. Sử dụngkính thiên văn, Rømer quan sát chuyển động củaSao Mộc và một trong nhữngmặt 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.[13] 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 đượcHippolyte Fizeau thực hiện ở châu Âu vào năm 1849. Fizeau hướng một chùm ánh sáng vào một tấm gương cách đó vài km. Mộtbánh 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 từNúi Wilson đếnNúi San Antonio ở California. Các phép đo chính xác mang lại tốc độ 299.796.000 m/s.[14]
Vận tốc hiệu quả của ánh sáng trong các chất trong suốt khác nhau chứavật 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 quachất ngưng tụ Bose – Einstein của nguyên tốrubidium, một nhóm tạiĐại học Harvard vàViện Khoa học Rowland ở Cambridge, Massachusetts, và nhóm kia tạiTrung tâm Vật lý Thiên văn Harvard – Smithsonian, cũng ở Cambridge.[15] 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.
Một ví dụ về hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Ống hút có vẻ bị cong do khúc xạ ánh sáng khi nó đi vào chất lỏng (trong trường hợp này là nước) từ không khí.Một đám mây được ánh sáng mặt trời chiếu sáng
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 bởiĐịnh luật Snell:
trong đó θ1 là góc giữa tia và bề mặtpháp 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 làchiết suất,n = 1 trongchân không vàn > 1 trongchấttrong 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 khôngtrực 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 làsự khúc xạ.
Có nhiều loại nguồn sáng. Một vật thể ở nhiệt độ nhất định phát ra một quang phổ đặc trưng của bức xạvật đen. Một nguồn nhiệt đơn giản là ánh sáng mặt trời, bức xạ dosắc quyển củaMặt trời phát ra ở khoảng 6.000 kelvin (5.730 độ Celsius; 10.340 độ Fahrenheit) đạt cực đại trong vùng nhìn thấy của quang phổ điện từ khi được vẽ bằng đơn vị bước sóng[16] và khoảng 44% năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới mặt đất có thể nhìn thấy được.[17] Một ví dụ khác làbóng 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 trongngọn 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 10micromet, 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". Sựphát 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 lửakhí hoặc ngọn đuốc củathợ 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).
Sự giảm tốc của một hạt mang điện tự do, chẳng hạn như mộtelectron, có thể tạo ra bức xạ nhìn thấy được:bức xạ cyclotron,bức xạ synchrotron và bức xạbremsstrahlung 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 rabức xạ Cherenkov nhìn thấy được. Một số hóa chất tạo ra bức xạ có thể nhìn thấy bằngphát quang hóa học. Ở các sinh vật, quá trình này được gọi là quá trìnhphát 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 làhuỳnh 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 tượnglân 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 trongmáy thuhìnhống tia âm cực vàmàn hình máy tính.
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 khitrắc 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 Độchiếu 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. Cáctế 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 đếnnguồn điện thô bằng một đại lượng gọi làhiệu 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 tếbào 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 vàthiết bị tích điện (CCD) có xu hướng phản ứng với một sốtia hồng ngoại,tia cực tím hoặc cả hai.
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 choc, tốc độ ánh sáng. Do độ lớn củac nên tác dụng của áp suất ánh sáng đối với các vật hàng ngày là không đáng kể. Ví dụ, mộtcon trỏ laser một miliwatt tác động một lực khoảng 3,3piconewton 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.[18] Tuy nhiên, trong các ứng dụng quy mônanomet nhưhệ 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.[19] Ở quy mô lớn hơn, áp suất ánh sáng có thể khiến cáctiểu hành tinh quay nhanh hơn,[20] tác động lên các hình dạng bất thường của chúng như trên các cánh củacối xay gió. Khả năng tạo ranhững cánh buồm mặt trời có thể tăng tốc tàu vũ trụ trong không gian cũng đang được điều tra.[21][22]
Mặc dù chuyển động củamáy 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.[23] 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.[24] Do hệ quả của áp suất ánh sáng,Einstein[25] 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 trongsóng phát ra xung lượng là phương ngang với hướng truyền.[26]
Các lý thuyết lịch sử về ánh sáng, theo trình tự thời gian
Tronglịch sử khám phá, đã có nhiềulý thuyết để giải thích cáchiện tượng tự nhiên liên quan đến ánh sáng. Dưới đây trình bày các lý thuyết quan trọng, theo trình tự lịch sử.
Vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên,Empedocles đã mặc định rằng mọi thứ đều được cấu tạo từbốn yếu tố; lửa, không khí, đất và nước. Ông tin rằngAphrodite 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.[27]
Vào khoảng 300 năm trước Công nguyên,Euclid đã viếtOptica, 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.[28]
Vào năm 55 trước Công nguyên,Lucretius, một người La Mã tiếp nối ý tưởng của cácnhà 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. " (từVề 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 sựkhúc xạ ánh sáng trong cuốn sáchQuang học của mình.[29]
ỞẤn Độ cổ đại, các trường pháiHinduSamkhya vàVaishedhika, 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.[30] Mặt khác, trường phái Vaishedhika đưa ralý thuyết nguyên tử về thế giới vật chất trên mặt đất phi nguyên tử củaête, không gian và thời gian. (Xemthuyết 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 tửtejas (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 tửtejas.[cần dẫn nguồn]Vishnu Purana gọi ánh sáng mặt trời là "bảy tia sáng của mặt trời".[30]
CácPhật tử Ấn Độ, chẳng hạn nhưDignāga vào thế kỷ thứ 5 vàDharmakirti 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.[31]
René Descartes (1596–1650) cho rằng ánh sáng là đặc tínhcơ học của vật thể phát sáng, bác bỏ "dạng" củaIbn al-Haytham vàWitelo cũng như "loài" củaBacon,Grosseteste vàKepler.[32] Năm 1637, ông công bố lý thuyết về sựkhúc 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.[cần dẫn nguồn] 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.[32]
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 vềplenum. Ông tuyên bố trongGiả thuyết về ánh sáng năm 1675 của mình rằng ánh sáng bao gồm cáctiểu 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 tượngnhiễu xạ ánh sáng (đã đượcFrancesco Grimaldi quan sát thấy) bằng cách cho phép một hạt ánh sáng có thể tạo ra một làn sóng cục bộ trongaether.
Lý thuyết của Newton có thể được sử dụng để dự đoán sựphản xạ của ánh sáng, nhưng chỉ có thể giải thíchsự khúc xạ bằng cách giả định không chính xác rằng ánh sáng được gia tốc khi đi vào mộtmôi trường đặc hơn vìlực hấp dẫn lớn hơn. Newton đã xuất bản phiên bản cuối cùng của lý thuyết của mình trong tác phẩmOpticks năm 1704. Danh tiếng của ông đã giúplý thuyết hạt ánh sáng tiếp tục giữ uy tín trong thế kỷ 18. Lý thuyết hạt của ánh sáng khiếnLaplace 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 làlỗ 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 trongCấu trúc quy mô lớn của không-thời gian, củaStephen Hawking vàGeorge F. R. Ellis.
Thực tế là ánh sáng có thể bịphân 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.
Để giải thích nguồn gốc củamàu 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 làMicrographia ("Quan sát IX"). Năm 1672, Hooke cho rằng dao động của ánh sáng có thểvuông 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 trongcuốn 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 làLuminiferous 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.[33]
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 bởiThomas Young). Young đã chỉ ra bằng mộtthí nghiệm nhiễu xạ rằng ánh sáng hoạt động như sóng. Ông cũng đề xuất rằng cácmàu sắc khác nhau là do cácbước 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 làLeonhard Euler. Ông lập luận trongNova theoria lucis et colorum (1746) rằngnhiễu xạ có thể dễ dàng giải thích hơn bằng lý thuyết sóng. Năm 1816,André-Marie Ampère đã đưa ra ý tưởng choAugustin-Jean Fresnel rằng sự phân cực của ánh sáng có thể được giải thích bằng lý thuyết sóng nếu ánh sáng làsóng ngang.[34]
Sau đó, Fresnel đã độc lập nghiên cứu lý thuyết sóng ánh sáng của riêng mình, và trình bày nó choAcadémie 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.[cần dẫn nguồn]
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 thuyếtaether phát sáng do Huygens đề xuất năm 1678 đã bị nghi ngờ mạnh mẽ vào cuối thế kỷ XIX bởithí 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 làLéon Foucault, vào năm 1850.[35] 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.
Bản vẽ 3 chiều của sóng ánh sángphân cực tuyến tính bị đóng băng theo thời gian và hiển thị hai thành phần dao động của ánh sáng; mộtđiện trường và mộttừ trường vuông góc với nhau và hướng của chuyển động (sóng ngang).
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 hướngtừ trường với sự có mặt củachất điện môi trong suốt, một hiệu ứng ngày nay được gọi làquay Faraday.[36] Đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy ánh sáng có liên quan đếnđiện 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.[36] 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.[37]
Công việc của Faraday đã truyền cảm hứng choJames 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 chíOn Physical Lines of Force. Năm 1873, ông xuất bảnmột 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 làphương 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 cácgói 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 nhưcác vạch quang phổ).
Năm 1900,Max Planck, cố gắng giải thíchbức 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 thíchhiệu 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 làtán 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 làphoton.[38]
Cuối cùng lý thuyết hiện đại củacơ 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 làlưỡng tính sóng-hạt, và (theo một nghĩa khác), như một hiện tượngkhông 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 đếnpolariton, đó có thể hữu ích trong việc phát triểncác máy tính lượng tử.[39][40]
^Sliney, David H.; Wangemann, Robert T.; Franks, James K.; Wolbarsht, Myron L. (1976). "Visual sensitivity of the eye to infrared laser radiation".Journal of the Optical Society of America. Quyển 66 số 4. tr. 339–341.Bibcode:1976JOSA...66..339S.doi:10.1364/JOSA.66.000339.ISSN0030-3941.PMID1262982.The foveal sensitivity to several near-infrared laser wavelengths was measured. It was found that the eye could respond to radiation at wavelengths at least as far as 1064 nm. A continuous 1064 nm laser source appeared red, but a 1060 nm pulsed laser source appeared green, which suggests the presence of second harmonic generation in the retina.
^Lynch, David K.; Livingston, William Charles (2001).Color and Light in Nature (ấn bản thứ 2). Cambridge: Cambridge University Press. tr. 231.ISBN978-0-521-77504-5. Truy cập ngày 12 tháng 10 năm 2013.Limits of the eye's overall range of sensitivity extends from about 310 to 1050 nanometers
^Dash, Madhab Chandra; Dash, Satya Prakash (2009).Fundamentals of Ecology 3E. Tata McGraw-Hill Education. tr. 213.ISBN978-1-259-08109-5. Truy cập ngày 18 tháng 10 năm 2013.Normally the human eye responds to light rays from 390 to 760 nm. This can be extended to a range of 310 to 1,050 nm under artificial conditions.
^Einstein, A. (1909).On the development of our views concerning the nature and constitution of radiation. Translated in: The Collected Papers of Albert Einstein, vol. 2 (Princeton University Press, Princeton, 1989). Princeton, New Jersey: Princeton University Press. tr. 391.
^Antognozzi, M.; Bermingham, C. R.; Harniman, R. L.; Simpson, S.; Senior, J.; Hayward, R.; Hoerber, H.; Dennis, M. R.; Bekshaev, A. Y. (tháng 8 năm 2016). "Direct measurements of the extraordinary optical momentum and transverse spin-dependent force using a nano-cantilever".Nature Physics. Quyển 12 số 8. tr. 731–735.arXiv:1506.04248.doi:10.1038/nphys3732.ISSN1745-2473.
^Singh, S. (2009).Fundamentals of Optical Engineering. Discovery Publishing House.ISBN9788183564366.
^Ptolemy and A. Mark Smith (1996).Ptolemy's Theory of Visual Perception: An English Translation of the Optics with Introduction and Commentary. Diane Publishing. tr. 23.ISBN978-0-87169-862-9.
