Sự chiếu sáng

Ánh sáng, ánh sáng nhìn thấy hay ánh sáng khả kiến là bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong dải quang phổ mà mắt người có thể nhận biết, từ khoảng 380 nm đến 760 nm, còn được gọi là vùng khả kiến. Giống như các bức xạ điện từ khác, ánh sáng có thể được mô tả như sóng hạt chuyển động gọi là photon. Ánh sáng di chuyển rất nhanh, điều này giải thích tại sao khi có sấm sét, chúng ta thấy ánh chớp trước khi nghe tiếng sấm.

Nguồn ánh sáng chính trên Trái Đất đến từ Mặt Trời. Ánh sáng mặt trời cung cấp năng lượng cho thực vật xanh để sản xuất đường chủ yếu dưới dạng tinh bột qua quá trình quang hợp. Trước khi có điện, lửa là nguồn ánh sáng quan trọng đối với con người, từ lửa trại cổ xưa đến đèn dầu hiện đại. Với sự ra đời 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 thông qua quá trình phát quang sinh học. Ví dụ, đom đóm sử dụng ánh sáng để tìm bạn tình và mực quỷ sử dụng ánh sáng để ẩn mình khỏi kẻ săn mồi.

Các đặc điểm cơ bản của ánh sáng nhìn thấy bao gồm 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 cơ bản của tự nhiên. Ánh sáng nhìn thấy, như mọi loại bức xạ điện từ (EMR), luôn di chuyển với tốc độ này trong chân không khi được phát hiện thực nghiệm.

Trong vật lý, thuật ngữ ánh sáng đôi khi được dùng để chỉ bất kỳ bức xạ điện từ nào, dù có thể nhìn thấy hay không. Theo nghĩa này, tia gamma, tia X, sóng vi ba và sóng vô tuyến cũng được coi là ánh sáng. Như tất cả các bức xạ EM, ánh sáng nhìn thấy lan truyền dưới dạng sóng. Tuy nhiên, năng lượng của sóng được hấp thụ ở các điểm cụ thể như các hạt. Năng lượng hấp thụ của sóng EM được gọi là photon, đại diện cho lượng tử ánh sáng. Khi sóng ánh sáng bị biến đổi và hấp thụ dưới dạng photon, năng lượng của sóng ngay lập tức sụp đổ vào một vị trí cụ thể, nơi photon 'đến'. Đây là hiện tượng được gọi là sự sụp đổ chức năng sóng. Bản chất ánh sáng, vừa giống sóng vừa giống hạt, được gọi là lưỡng tính sóng-hạt. Nghiên cứu ánh sáng, hay quang học, là một lĩnh vực 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), hay EMR, được phân loại theo bước sóng thành sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, quang phổ khả kiến mà chúng ta cảm nhận như ánh sáng, tia cực tím, tia X và tia gamma.

Hành vi của bức xạ điện từ (EMR) phụ thuộc vào bước sóng của nó. Bức xạ có tần số cao hơn sẽ có bước sóng ngắn hơn, trong khi bức xạ có tần số thấp hơn sẽ có bước sóng dài hơn. Khi EMR tương tác với các nguyên tử và phân tử đơn lẻ, hành vi của nó dựa trên lượng năng lượng mà mỗi lượng tử mang theo.

Bức xạ điện từ trong vùng ánh sáng khả kiến bao gồm các lượng tử (hay photon) nằm ở phần thấp của năng lượng có khả năng kích thích điện tử trong phân tử, dẫn đến thay đổi trong liên kết hoặc hóa học của phân tử. Ở phần thấp hơn của quang phổ ánh sáng nhìn thấy, EMR trở nên vô hình với con người (tia hồng ngoại) vì các photon không đủ năng lượng để gây ra sự thay đổi lâu dài trong phân tử thị giác của mắt, mà chỉ kích thích cảm giác thị giác.

Một số loài động vật nhạy cảm với các tia hồng ngoại khác nhau, nhưng không phải bằng cách hấp thụ photon. Ví dụ, cảm biến hồng ngoại ở rắn hoạt động dựa trên hình ảnh nhiệt tự nhiên, nơi các gói nước tế bào được làm nóng bởi bức xạ hồng ngoại. EMR trong dải này gây ra rung động phân tử và hiệu ứng sưởi ấm, cho phép những động vật này phát hiện nó.

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím trở nên vô hình đối với con người, chủ yếu vì nó bị hấp thụ bởi giác mạc dưới 360 nm và thấu kính bên trong dưới 400 nm. Hơn nữa, các tế bào hình que và hình nón trong võng mạc không thể phát hiện bước sóng rất ngắn (dưới 360 nm) của tia cực tím và bị tổn thương bởi tia này. Nhiều loài động vật không cần thấu kính (như côn trùng và tôm) có khả năng phát hiện tia cực tím nhờ cơ chế hấp thụ photon, tương tự như cách con người nhận biết ánh sáng nhìn thấy.

Các nguồn khác nhau định nghĩa ánh sáng nhìn thấy trong khoảng 420–680 nm, mở rộng từ 380–800 nm. Trong điều kiện lý tưởng, con 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 tia cực tím xuống khoảng 310–313 nm.

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

Tốc độ ánh sáng

Tốc độ ánh sáng trong chân không được xác định chính xác là 299.792.458 mét mỗi giây (xấp xỉ 186.282 dặm mỗi giây). Giá trị cố định của tốc độ ánh sáng trong đơn vị SI là do mét hiện được định nghĩa theo tốc độ ánh sáng. Tất cả các dạng bức xạ điện từ đều di chuyển với tốc độ này trong chân không.

Lịch sử đo tốc độ ánh sáng có nhiều nỗ lực khác nhau. Galileo đã thử đo tốc độ ánh sáng vào thế kỷ XVII. Ole Rømer, một nhà vật lý người Đan Mạch, vào năm 1676 đã thực hiện một thí nghiệm để đo tốc độ ánh sáng. Ông quan sát chuyển động của Sao Mộc và mặt trăng Io, nhận thấy sự khác biệt trong chu kỳ quỹ đạo của Io, và ước tính ánh sáng mất khoảng 22 phút để đi qua đường kính quỹ đạo của Trái Đất. Nếu ông biết đường kính của quỹ đạo, ông sẽ tính tốc độ ánh sáng là 227.000.000 m/s.

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

Léon Foucault thực hiện một thí nghiệm với gương quay vào năm 1862 và đạt được kết quả là 298.000.000 m/s. Albert A. Michelson, từ năm 1877 đến khi qua đời vào năm 1931, tiếp tục các thí nghiệm về tốc độ ánh sáng. Ông cải tiến phương pháp của Foucault vào năm 1926 bằng cách sử dụng gương xoay hiện đại hơn để đo thời gian ánh sáng di chuyển từ Núi Wilson đến Núi San Antonio ở California. Kết quả đo chính xác sau cùng cho tốc độ ánh sáng là 299.796.000 m/s.

Tốc độ ánh sáng trong các chất trong suốt khác nhau luôn chậm hơn so với trong chân không. Ví dụ, ánh sáng di chuyển với tốc độ bằng 3/4 tốc độ của nó trong chân không khi đi qua nước.

Hai nhóm nhà vật lý độc lập được cho là đã làm ánh sáng đạt đến trạng thái 'hoàn toàn đứng yên' 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 còn lại tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard – Smithsonian, cũng ở Cambridge. Tuy nhiên, thuật ngữ 'dừng lại' trong các thí nghiệm này chỉ có nghĩa là ánh sáng được giữ lại trong trạng thái kích thích của nguyên tử và phát ra lại vào một thời điểm sau đó khi được kích thích bởi xung laser thứ hai. Trong khoảng thời gian 'dừng lại' đó, ánh sáng không còn là ánh sáng nữa.

Quang học

Nghiên cứu về ánh sáng và cách nó tương tác với vật chất được gọi là quang học. Quan sát và phân tích các hiện tượng quang học như cầu vồng và cực quang giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của ánh sáng.

Khúc xạ

Khúc xạ là hiện tượng ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau. Hiện tượng này được mô tả bằng Định luật Snell:

$n_1\sin <!--\; \; -->{\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_1=n_2\sin <!--\; \; -->{\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_2$

Trong đó, θ₁ là góc giữa tia sáng và mặt pháp tuyến trong môi trường đầu tiên, θ₂ là góc giữa tia sáng và mặt pháp tuyến trong môi trường thứ hai, và n₁ cùng n₂ là các hệ số chiết suất, với n = 1 trong chân không và n > 1 trong các chất trong suốt.

Khi ánh sáng đi qua ranh giới giữa chân không và một môi trường khác, hoặc giữa hai môi trường khác nhau, bước sóng của ánh sáng thay đổi nhưng tần số vẫn giữ nguyên. Nếu ánh sáng không đi vuông góc với bề mặt phân cách, sự thay đổi bước sóng sẽ làm thay đổi hướng của chùm sáng. Hiện tượng này được gọi là khúc xạ.

Khả năng khúc xạ của thấu kính thường được dùng để điều chỉnh ánh sáng, thay đổi kích thước biểu kiến của hình ảnh. Các ví dụ bao gồm kính lúp, kính cận, kính áp tròng, kính hiển vi và kính thiên văn khúc xạ.

Nguồn sáng

Có nhiều loại nguồn sáng khác nhau. Một vật thể ở nhiệt độ nhất định phát ra một phổ bức xạ đặc trưng, giống như bức xạ của vật đen. Ví dụ, ánh sáng mặt trời là một nguồn nhiệt đơn giản, phát ra bức xạ từ sắc quyển của Mặt trời ở khoảng 6.000 kelvin (5.730 độ Celsius; 10.340 độ Fahrenheit), đạt cực đại trong vùng quang phổ nhìn thấy. Khoảng 44% năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới Trái Đất có thể nhìn thấy được. Bóng đèn sợi đốt là một ví dụ khác, chỉ phát ra khoảng 10% năng lượng dưới dạng ánh sáng nhìn thấy, phần còn lại là tia hồng ngoại. Trong lịch sử, các hạt rắn phát sáng trong ngọn lửa là nguồn ánh sáng nhiệt phổ biến, nhưng chúng chủ yếu phát ra tia hồng ngoại và chỉ một phần nhỏ trong vùng quang phổ nhìn thấy.

Đỉnh của phổ bức xạ vật đen nằm trong vùng hồng ngoại sâu, với bước sóng khoảng 10 micromet, đối với các vật thể có nhiệt độ thấp như con người. Khi nhiệt độ tăng lên, đỉnh của phổ sẽ dịch chuyển về các bước sóng ngắn hơn, đầu tiên là ánh sáng đỏ, tiếp theo là ánh sáng trắng, và cuối cùng là ánh sáng trắng xanh khi đỉnh chuyển ra khỏi vùng nhìn thấy và vào vùng tử ngoại. Những màu sắc này có thể quan sát được khi kim loại nóng đến mức 'nóng đỏ' hoặc 'nóng trắng.' Phát xạ nhiệt màu trắng xanh thường chỉ thấy ở các ngôi sao, và màu xanh lam trong ngọn lửa khí hoặc đuốc của thợ hàn thực chất là do phát xạ phân tử, đặc biệt là từ các gốc CH (phát ra dải bước sóng khoảng 425 nm, không xuất hiện ở các ngôi sao hoặc bức xạ nhiệt thuần túy).

Nguyên tử phát ra và hấp thụ ánh sáng với mức năng lượng đặc trưng, tạo ra các 'vạch phát xạ' trong quang phổ của mỗi nguyên tử. Sự phát xạ có thể là tự phát, như trong đèn LED, đèn phóng điện (như đèn neon, bảng hiệu neon, đèn hơi thủy ngân, v.v.) và ngọn lửa (ánh sáng từ khí nóng — chẳng hạn như ánh sáng vàng đặc trưng của natri trong ngọn lửa khí). Sự phát xạ cũng có thể được kích thích, như trong tia laser hoặc lò vi sóng.

Khi một hạt mang điện tự do, chẳng hạn như electron, giảm tốc, nó có thể phát ra bức xạ nhìn thấy: ví dụ như bức xạ cyclotron, bức xạ synchrotron và bức xạ bremsstrahlung. Các hạt di chuyển nhanh hơn tốc độ pha của ánh sáng trong môi trường đó có thể phát ra bức xạ Cherenkov có thể nhìn thấy. Một số hóa chất phát ra ánh sáng qua phát quang hóa học. Trong sinh vật, quá trình này được gọi là phát quang sinh học. Ví dụ, đom đóm phát sáng nhờ cơ chế này, và sự di chuyển của thuyền trong nước có thể kích thích sinh vật phù du phát ra ánh sáng.

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

Có nhiều cơ chế khác có thể tạo ra ánh sáng như sau:

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

Khi chúng ta mở rộng khái niệm ánh sáng để bao gồm các photon có năng lượng rất cao (như tia gamma), những cơ chế tạo ra ánh sáng bổ sung có thể bao gồm:

• Sự hủy diệt hạt - phản hạt
• Phân rã phóng xạ

Đơn vị và phép đo

Ánh sáng có thể được đo bằng hai hệ thống đơn vị chính: đo bức xạ, bao gồm các phép đo công suất ánh sáng ở mọi bước sóng, và đo trắc quang, tập trung vào ánh sáng với bước sóng được trọng số theo cảm nhận độ sáng của con người. Phép đo trắc quang đặc biệt hữu ích để xác định độ chiếu sáng (hay ánh sáng) mà con người cảm nhận được. Các đơn vị SI của hai hệ thống này được tổng hợp trong bảng dưới đây.

Các đơn vị đo quang khác biệt so với nhiều hệ thống đơn vị vật lý vì chúng tính đến phản ứng của mắt người với ánh sáng. Các tế bào hình nón trong mắt chúng ta có ba loại phản ứng khác nhau trên phổ khả kiến và đạt cực đại ở bước sóng khoảng 555 nm. Do đó, hai nguồn sáng có cùng cường độ (W/m²) có thể không có độ sáng như nhau. Các đơn vị đo quang được thiết kế để điều chỉnh điều này, và do đó, phản ánh chính xác hơn mức độ 'sáng' của ánh sáng so với cường độ đơn thuần. Chúng liên quan đến nguồn điện thô qua một đại lượng gọi là hiệu suất phát sáng, được dùng để đảm bảo đủ ánh sáng cho các nhiệm vụ trong các môi trường khác nhau. Độ chiếu sáng đo bằng cảm biến quang không luôn phản ánh cảm nhận của mắt người, và các thiết bị như tế bào quang điện và CCD có thể phản ứng với tia hồng ngoại, tia cực tím, hoặc cả hai.

Áp suất ánh sáng

Ánh sáng tác dụng lực lên các vật thể trên đường đi của nó, hiện tượng này có thể được giải thích bằng phương trình Maxwell, nhưng dễ hiểu hơn qua bản chất hạt của ánh sáng: các photon va chạm và truyền động lượng. Áp suất ánh sáng bằng công suất của chùm sáng chia cho c, tốc độ ánh sáng. Do giá trị lớn của c, tác động của áp suất ánh sáng đối với các vật thể hàng ngày là không đáng kể. Ví dụ, một con trỏ laser một miliwatt tác dụng lực khoảng 3,3 piconewton lên vật thể được chiếu sáng; để nâng một đồng xu, cần khoảng 30 tỷ con trỏ laser 1 mW. Tuy nhiên, ở quy mô nanomet như trong hệ thống cơ điện tử nano (NEMS), tác động của áp suất ánh sáng có thể đáng kể hơn, và việc khai thác nó 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 sôi nổi. Ở quy mô lớn hơn, áp suất ánh sáng có thể làm cho các tiểu hành tinh quay nhanh hơn và ảnh hưởng đến hình dạng của chúng, như cánh của cối xay gió. Khả năng tạo ra cánh buồm mặt trời để tăng tốc tàu vũ trụ trong không gian cũng đang được nghiên cứu.

Mặc dù ban đầu sự chuyển động của máy đo bức xạ Crookes được cho là do áp suất ánh sáng, thực tế nó là kết quả của chân không một phần. Điều này khác với máy đo bức xạ Nichols, trong đó (nhẹ) chuyển động gây ra bởi mô-men xoắn (mặc dù không đủ để xoay hoàn toàn chống lại ma sát) được trực tiếp gây ra bởi áp lực ánh sáng. Dựa trên áp suất ánh sáng, Einstein vào năm 1909 đã dự đoán về sự tồn tại của 'ma sát bức xạ' chống lại chuyển động của vật chất. Ông viết, 'bức xạ sẽ tác dụng lực lên cả hai mặt của tấm. Lực tác dụng lên hai mặt bằng nhau nếu tấm đứng yên. Tuy nhiên, nếu tấm đang chuyển động, nhiều bức xạ sẽ được phản xạ từ mặt phía trước hơn mặt phía sau. Do đó, lực phản tác dụng trên mặt trước sẽ lớn hơn lực tác động từ phía sau. Vì vậy, do sự chênh lệch lực, sẽ có một lực chống lại chuyển động của tấm, và lực này tăng theo vận tốc của tấm. Chúng ta gọi kết quả này là 'ma sát bức xạ'.'

Thông thường, động lượng của ánh sáng sẽ hướng theo chiều chuyển động của nó. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, như trong sóng phát ra, động lượng có thể vuông góc với hướng truyền.

Các lý thuyết lịch sử về ánh sáng theo trình tự thời gian

Trong suốt lịch sử nghiên cứu, đã có nhiều lý thuyết được đưa ra nhằm giải thích các hiện tượng liên quan đến ánh sáng. Dưới đây là các lý thuyết quan trọng được trình bày theo thứ tự thời gian.

Hy Lạp cổ đại và Hellenism

Vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, Empedocles đã cho rằng mọi vật chất đều được cấu tạo từ bốn yếu tố cơ bản: lửa, không khí, đất và nước. Ông tin rằng Aphrodite đã tạo ra mắt người từ những yếu tố này và thắp sáng ngọn lửa trong mắt để ánh sáng có thể phát ra và giúp chúng ta nhìn thấy. Nếu điều này đúng, thì khả năng nhìn thấy vào ban đêm sẽ giống như ban ngày, vì Empedocles tin rằng có sự tương tác giữa ánh sáng từ mắt và ánh sáng từ các nguồn như mặt trời.

Vào khoảng 300 năm trước Công nguyên, Euclid đã soạn thảo cuốn sách Optica, trong đó ông nghiên cứu các thuộc tính của ánh sáng. Euclid cho rằng ánh sáng di chuyển theo đường thẳng và ông đã mô tả các định luật phản xạ cũng như nghiên cứu chúng bằng toán học. Ông đặt ra câu hỏi về việc thị giác là kết quả của một chùm tia phát ra từ mắt, bởi ông băn khoăn về việc làm thế nào mà người ta có thể nhìn thấy các ngôi sao ngay lập tức nếu mắt được mở vào ban đêm. Nếu chùm tia từ mắt có thể truyền đi với tốc độ vô hạn, thì vấn đề này sẽ không tồn tại.

Vào năm 55 trước Công nguyên, Lucretius, một triết gia La Mã, đã kế thừa những ý tưởng của các nhà nguyên tử Hy Lạp trước đó, viết rằng 'Ánh sáng và sức nóng của mặt trời; chúng bao gồm các nguyên tử nhỏ, khi bị đẩy ra, không mất thời gian để xuyên qua khoảng không khí theo hướng được truyền đi.' (trích từ Về bản chất của Vũ trụ). Mặc dù lý thuyết của ông có sự tương đồng với các lý thuyết hạt sau này, quan điểm của Lucretius không được chấp nhận rộng rãi. Ptolemy (khoảng thế kỷ thứ 2) đã viết về hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong tác phẩm Quang học của mình.

Ấn Độ cổ đại

Tại Ấn Độ cổ đại, các trường phái Hindu Samkhya và Vaishedhika, từ khoảng các 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) từ đó các yếu tố thô hình thành. Tính chất nguyên tử của những yếu tố này không được đề cập cụ thể và có vẻ như chúng được coi là liên tục. Ngược lại, trường phái Vaishedhika đưa ra lý thuyết nguyên tử về thế giới vật chất, phân biệt với các yếu tố không nguyên tử như không gian và thời gian. (Xem thuyết nguyên tử của Ấn Độ.) Các nguyên tử cơ bản bao gồm đất (prthivi), nước (pani), lửa (agni) và không khí (vayu). Các tia sáng được coi là dòng nguyên tử tejas (lửa) với vận tốc cao. Các hạt ánh sáng có thể thể hiện các đặc điểm khác nhau tùy vào tốc độ và cách sắp xếp của các nguyên tử tejas. Vishnu Purana gọi ánh sáng mặt trời là 'bảy tia sáng của mặt trời'.

Các nhà Phật học Ấn Độ, như Dignāga vào thế kỷ thứ 5 và Dharmakirti vào thế kỷ thứ 7, đã phát triển một lý thuyết nguyên tử về thực tại, trong đó các thực thể nguyên tử được xem như là những tia sáng hoặc năng lượng chớp nhoáng. Họ coi ánh sáng như một dạng thực thể nguyên tử tương đương với năng lượng.

Descartes

René Descartes (1596–1650) cho rằng ánh sáng là một thuộc tính cơ học của vật thể phát sáng, phản bác các quan điểm về 'dạng' của Ibn al-Haytham và Witelo, cũng như 'loài' của Bacon, Grosseteste và Kepler. Năm 1637, ông đã công bố lý thuyết về sự khúc xạ ánh sáng, giả định rằng ánh sáng truyền đi nhanh hơn trong các môi trường đặc hơn so với các môi trường ít đặc hơn. Descartes đưa ra kết luận này dựa trên 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 như sóng và kết luận rằng hiện tượng khúc xạ có thể được giải thích bởi sự thay đổi tốc độ ánh sáng trong các môi trường 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 một thuộc tính cơ học của vật thể phát sáng và môi trường truyền dẫn, lý thuyết của Descartes được coi là khởi nguồn của quang học vật lý hiện đại.

Lý thuyết hạt ánh sáng

Pierre Gassendi (1592–1655), nhà nguyên tử học nổi tiếng, đã đề xuất lý thuyết về ánh sáng dưới dạng hạt vào khoảng sau những năm 1660. Isaac Newton, từ khi còn nhỏ, đã nghiên cứu công trình của Gassendi và ưa chuộng lý thuyết này hơn so với lý thuyết về plenum của Descartes. Trong tác phẩm Giả thuyết về ánh sáng xuất bản năm 1675, Newton cho rằng ánh sáng bao gồm các hạt vật chất phát ra theo mọi hướng từ nguồn phát. Ông lập luận rằng ánh sáng không giống như sóng, vì sóng có thể uốn cong quanh chướng ngại vật, trong khi ánh sáng chỉ di chuyển theo đường thẳng. Tuy nhiên, ông đã giải thích hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, được Francesco Grimaldi phát hiện, bằng cách cho rằng các hạt ánh sáng có thể tạo ra sóng cục bộ trong aether.

Lý thuyết của Newton có thể dự đoán hiện tượng phản xạ ánh sáng, nhưng ông chỉ có thể giải thích sự khúc xạ ánh sáng bằng cách giả định không chính xác rằng ánh sáng gia tốc khi đi vào môi trường đặc hơn do lực hấp dẫn mạnh hơn. Phiên bản cuối cùng của lý thuyết ánh sáng của ông được công bố trong tác phẩm Opticks năm 1704. Danh tiếng của Newton đã giúp lý thuyết hạt ánh sáng duy trì sự uy tín trong thế kỷ 18. Lý thuyết này khiến Laplace lập luận rằng một vật thể có khối lượng lớn đến mức ánh sáng không thể thoát ra khỏi nó, và sẽ trở thành lỗ đen. Sau đó, Laplace đã rút lại đề xuất khi lý thuyết sóng của ánh sáng trở nên phổ biến, mặc dù cả lý thuyết hạt và sóng đều không hoàn toàn chính xác. Bản dịch của Newton về ánh sáng có mặt trong Cấu trúc quy mô lớn của không-thời gian của Stephen Hawking và George F. R. Ellis.

Newton đã định tính giải thích hiện tượng phân cực ánh sáng bằng lý thuyết hạt. Étienne-Louis Malus vào năm 1810 đã phát triển lý thuyết hạt toán học về phân cực. Jean-Baptiste Biot vào năm 1812 đã chứng minh rằng lý thuyết này giải thích tất cả các hiện tượng phân cực ánh sáng đã biết. Khi đó, phân cực được coi là bằng chứng ủng hộ lý thuyết hạt.

Lý thuyết sóng ánh sáng

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

Lý thuyết sóng dự đoán rằng sóng ánh sáng có thể giao thoa giống như sóng âm thanh, điều này được Thomas Young chứng minh vào khoảng năm 1800. Young đã thực hiện thí nghiệm nhiễu xạ, cho thấy ánh sáng hành xử như sóng. Ông cũng cho rằng các màu sắc khác nhau là do các bước sóng ánh sáng khác nhau và giải thích khả năng nhìn màu dựa trên ba loại thụ thể màu trong mắt. Leonhard Euler là một người ủng hộ lý thuyết sóng. Trong Nova theoria lucis et colorum (1746), ông cho rằng lý thuyết sóng giải thích nhiễu xạ tốt hơn. Năm 1816, André-Marie Ampère gợi ý với Augustin-Jean Fresnel rằng phân cực ánh sáng có thể được giải thích bằng lý thuyết sóng nếu ánh sáng là sóng ngang.

Fresnel đã phát triển lý thuyết sóng ánh sáng của mình và trình bày cho Académie des Sciences năm 1817. Siméon Denis Poisson đã mở rộng công trình của Fresnel với các phép toán, đưa ra lập luận thuyết phục ủng hộ lý thuyết sóng, thay đổi quan điểm từ lý thuyết phân tử của Newton. Đến năm 1821, Fresnel đã chứng minh qua toán học rằng sự phân cực ánh sáng có thể giải thích bằng lý thuyết sóng nếu ánh sáng hoàn toàn là sóng ngang, không có dao động dọc.

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

Lý thuyết phân tử của Newton cho rằng ánh sáng sẽ di chuyển nhanh hơn trong môi trường đặc hơn, trái ngược với lý thuyết sóng của Huygens và các nhà khoa học khác. Vào thời điểm đó, không có phương pháp đo lường tốc độ ánh sáng đủ chính xác để xác định lý thuyết nào đúng. Léon Foucault là người đầu tiên thực hiện phép đo chính xác vào năm 1850. Kết quả của ông đã chứng minh lý thuyết sóng là đúng, và lý thuyết hạt cổ điển dần bị loại bỏ, chỉ xuất hiện trở lại một phần vào thế kỷ 20.

Lý thuyết điện từ

Năm 1845, Michael Faraday phát hiện rằng mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực tuyến tính quay khi ánh sáng truyền dọc theo hướng của từ trường trong một chất điện môi trong suốt, hiện tượng này 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 dạng nhiễu loạn di chuyển dọc theo các đường sức từ. Đến năm 1847, Faraday đề xuất rằng ánh sáng là dao động điện từ tần số cao, có thể truyền đi ngay cả khi không có môi trường như ête.

Công trình của Faraday đã khuyến khích James Clerk Maxwell nghiên cứu về bức xạ điện từ và ánh sáng. Maxwell phát hiện rằng sóng điện từ có thể tự truyền trong không gian với tốc độ không đổi, tương đương với tốc độ ánh sáng đã được đo trước đó. Từ đó, Maxwell kết luận rằng ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ, và lần đầu tiên công bố kết quả này vào năm 1862 trong bài báo On Physical Lines of Force. Năm 1873, ông xuất bản một luận thuyết về điện và từ, mô tả đầy đủ các phương trình Maxwell về điện trường và từ trường. Ngay sau đó, Heinrich Hertz đã xác nhận lý thuyết của Maxwell bằng thực nghiệm, tạo ra và phát hiện sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm, chứng minh rằng chúng có các đặc tính như ánh sáng nhìn thấy, bao gồm phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và giao thoa. Những công trình của Maxwell và Hertz đã 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, photon được coi là những gói sóng của sóng như mô tả trong lý thuyết Maxwell cổ điển. Để giải thích những hiện tượng mà lý thuyết cổ điển không thể giải thích, như các vạch quang phổ, lý thuyết lượng tử là cần thiết.

Lý thuyết lượng tử về ánh sáng

Năm 1900, Max Planck, khi cố gắng giải thích bức xạ vật đen, đã đề xuất rằng dù ánh sáng là sóng, những sóng này chỉ có thể thu hoặc mất năng lượng theo từng lượng hữu hạn tương ứng với tần số của chúng. Ông gọi các 'gói' năng lượng ánh sáng này là 'lượng tử' (từ Latin có nghĩa là 'bao nhiêu'). Albert Einstein, vào năm 1905, đã sử dụng khái niệm lượng tử ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện và cho rằng những lượng tử này có tồn tại 'thực sự'. Vào năm 1923, Arthur Holly Compton đã chứng minh rằng sự dịch chuyển bước sóng khi tia X cường độ thấp bị tán xạ từ các electron (hiện tượng tán xạ Compton) có thể được giải thích bằng lý thuyết hạt của tia X, không phải lý thuyết sóng. Năm 1926, Gilbert N. Lewis đã đặt tên cho các hạt lượng tử ánh sáng là photon.

Lý thuyết cơ học lượng tử hiện đại mô tả ánh sáng như có cả tính chất của hạt và sóng, hay còn gọi là lưỡng tính sóng-hạt. Tuy nhiên, theo một cách khác, ánh sáng không hoàn toàn là hạt cũng như sóng (nó thực sự là các hiện tượng vĩ mô như bóng chày hoặc sóng biển). Vật lý hiện đại xem ánh sáng là hiện tượng có thể được mô tả bằng các mô hình khác nhau, như là hạt trong một số trường hợp và sóng trong các trường hợp khác, nhưng thực sự là một khái niệm vượt ra ngoài sự hình dung hoàn toàn. Ví dụ, sóng vô tuyến và tia X, liên quan đến tán xạ Compton, cho thấy bức xạ điện từ có xu hướng hoạt động như sóng cổ điển ở tần số thấp và như hạt cổ điển ở tần số cao, nhưng không bao giờ hoàn toàn thuộc về một loại. Ánh sáng nhìn thấy, với tần số trung bình, có thể được mô tả bằng cả hai mô hình sóng và hạt, hoặc đôi khi cả hai.

Vào tháng 2 năm 2018, các nhà khoa học lần đầu tiên công bố phát hiện một dạng mới của ánh sáng, có thể liên quan đến polariton, điều này có thể có ích trong việc phát triển máy tính lượng tử.

Các hiện tượng quang học

• Phản xạ ánh sáng
• Khúc xạ ánh sáng
• Tán xạ ánh sáng
• Nhiễu xạ ánh sáng
• Giao thoa ánh sáng
• Thấu kính hấp dẫn
• Hiệu ứng quang điện