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我们每天都会看到各类事物，从早上起床那一刻到晚上睡觉都是如此。我们用光看周围的一切：欣赏孩子的蜡笔画、精美的油画、曲线玲珑的计算机绘图、眩目的日落、湛蓝的天空，还有流星和彩虹。我们靠镜子照出自己，用闪耀的宝石表达爱意。但您是否曾经静下来想过，当我们看到这些东西时，我们并没有与之直接联系。事实上，我们看到的是光——以某种方式离开或远或近的物体、到达人眼的光。只有光才是人眼真正能看到的东西。
您可能听说过关于光的两种不同理论：
从古希腊时代开始，人们就认为光是微粒子流。毕竟光是以直线传播的，它遇到镜子会反弹，就和球从墙上反弹非常相似。虽然没人真正看到过光的粒子，但人们很容易解释其存在的可能性。看不到粒子的原因可能是它们太小或移动得太快，或者是人眼恰巧可以透视它们。
光波的观点是由克里斯蒂安·惠更斯于17世纪末提出的，他认为光的行动与波（而非粒子流）相似。1807年托马斯·杨证实，当光穿过非常狭窄的通道时，会向外扩散并干扰穿过另一条通道的光，从而支持了惠更斯的理论。杨让光射过一条非常狭窄的裂缝，然后看见了一道与裂缝相符的明亮光条。但除此之外，杨还在光条周围发现了其他光，只是不及光条明亮。然而如果光真的是粒子流，就不应该看到其他光。实验表明，光像波一样向外扩散。事实上，光束每时每刻都在向外辐射。 1905年，阿尔伯特·爱因斯坦进一步发展了光学理论。他提出了光电效应，认为紫外光碰到物体表面时，会导致电子从表面散发。爱因斯坦对此的解释是——光由一束束的能量包组成，而能量包就称为光子。 现代物理学家认为，光既有粒子性又有波动性，但他们同时也承认，这两种看法都只是对某种更复杂现象的简单解释。在本文中，我们将把光作为波来讨论，因为就大多数人眼看到的现象而言，它都能提供最佳解释。
光束为何会向外辐射——就像托马斯·杨证实的那样？真实情况究竟如何？要理解光波，最好先讨论一种我们比较熟悉的波——在水里看到的水波。有一个关于水波的要点必须牢记于心，那就是：水波并非由水形成，而是由在水中传播的能量形成。如果水波从池子的左边移向右边，并不表示池子左边的水正在向右边移动。事实上，水仍然留在原地，移动的只是波。在装满水的浴缸内移动您的手，就会激起水波，这是因为您向水中施加了能量，能量以波的形式在水中传播。
所有波都是正在传播的能量，并且通常会经过某种介质，例如水。在图1中可以看到水波的图样，组成水波的水分子与水波的运动方向成直角上下振动，这种波称为横波。 光波则更为复杂一些，并且无需通过介质，它们可以在真空中传播。光波由电场和磁场形式的能量组成。电、磁场的振动方向互相垂直，并且均与光波的移动方向垂直。由于光既有电场又有磁场，因此也称为电磁辐射。
图 1 光波的尺寸有多种。波的尺寸用波长衡量，波长是指连续波上任意两个对应点之间的距离，通常为波峰到波峰或波谷到波谷的距离（图1）。可见光的波长范围是千万分之四到磁七米。但就电辐射的定义而言，波长的总范围可从十亿分之一米（如伽马射线），一直到数厘米或数米（如无线电波）不等。光只是整个频谱中的一小部分。
光波也有多种频率。频率是指任意时间间隔内（通常为一秒钟）通过空间中某一点的波数。它的计量单位是周（波）/秒，或赫兹（Hz）。可见光的频率称为颜色，范围是430万亿Hz（红色）到750万亿Hz（紫罗兰色）。当然，频率的总范围超出可见光谱之外，从不足十亿Hz的无线电波到超过30亿Hz的伽马射线。
如上文所述，光波是能量波。光波的能量大小与其频率成一定比例：高频光的能量较高，低频光的能量较低。因此，伽马射线的能量最高，无线电波的能量最低。在可见光中，紫光能量最大，而红光能量最小。 光不仅振动频率不同，传播速度也不同。光波在真空中的传播速度最快，为30万公里/秒，这让光成为宇宙中最快的现象。光波在物质内传播时速度会下降，如空气、水、玻璃或钻石。要理解光的弯曲或折射，关键是弄清不同物质对光传播速度的影响，这一点我们将在稍后讨论。
由此可见，光波以连续的各种尺寸、频率和能量出现。我们把这种连续光谱称为电磁频谱（图2）。图2并非按比例绘制，如果按比例绘制，可见光仅占光谱的十万分之一。
任何可见光都是由以电磁波形式在空间传播的一个或多个光子汇聚而成。即便处于漆黑之中，人眼其实也能感触单个光子，但一般来说，我们在日常生活中看到的都是光源产生的无数光子从物体上反射而成的。如果现在环视四周，您可能就会发现，室内有产生光子的光源，而室内的物体则会反射这些光子。人眼会吸收室内流动的一些光子，这样您就看见了物体。
有很多种不同的方式可以产生光子，但所有这些方式都是利用原子内的相同机制来达到目的，这种机制涉及激发围绕每个原子核运转的电子。核辐射揭秘较为详细地介绍了质子、中子和电子。例如，氢原子就有1个电子绕核子运转，氦原子有2个电子绕核子运转，铝原子有13个电子绕核子运转。每个原子中绕核子运转的电子都有一定的数量。 电子以固定轨道绕核子环行，以一种简化的方式想，就和卫星绕地球运转一样。有关电子轨道的理论很多，但我们只需知道下面这个关键事实就可以理解光：每个电子都占据一个自然轨道，但如果激发原子，就能将其电子移至更高的轨道。每当电子从更高的轨道返回正常轨道时，就会产生光子。在从高能量返回正常能量的过程中，电子会散发具有特殊特征的光子，即一个能量包。光子的频率或颜色与电子返回的距离完全一致。 有些情况下您可以非常清楚地看到这种现象。例如，在很多工厂和停车场都可以看到钠蒸气灯。之所以能看出那是钠蒸气灯，是因为它的颜色看上去很黄。钠蒸气灯会激发钠原子，从而产生光子。钠原子有11个电子，由于它们堆叠在轨道中的方式很特殊，其中一个电子最有可能接受和散发能量（这个电子叫做3s电子），而该电子最有可能散发的能量包，其返回的波长正好是590毫微米左右，这与黄光的波长一致。因此，如果让钠光射过棱镜，则看不到彩虹，只能看到一对黄线。
加热可能是激发原子的方法中最常见的一种，同时也是白热光的基础。如果用喷灯加热马蹄铁，它最终会变为红热，如果加热程度足够，还会变为白热。红色是能量最低的可见光，因此在红热物体中，原子获得的能量仅够开始散发我们能看见的光。只要施加足够的热量来生成白光，就相当于以众多不同方式激发各种不同的电子，从而生成所有颜色，而它们互相混合就呈现为白色——后文有一节将对此进行阐释。
在我们看到的光形成方式中，加热是最普遍的一种——普通的75瓦白炽灯泡就是用电力加热，从而产生光。但也有其他很多方式可以形成光，下面就列出了一些： 从此列表可以看出，任何产生光的物体都会以某种方式激发原子。可见光是人眼能察觉到的光。由太阳发出的可见光看上去是无色的，也就是我们常说的白光。虽然我们能看见这种光，但白光并没有纳入可见光谱（图2）。因为白光不是单色或单频光，而是由多种色频组成的。当阳光穿过装有水的玻璃杯并射在墙上时，墙上就会出现一道彩虹。发生这种情况的可能性只有一个——白光是可见光谱中所有颜色的混合体。艾萨克·牛顿率先证明了这一点，他让阳光穿过玻璃棱镜，将各种颜色分成一道彩虹光谱。然后又让阳光穿过另一个玻璃棱镜，并将两道彩虹合在一起，彩虹结合后就形成了白光。这毫无疑问地证明，白光是各种颜色的混合体，或不同频率的光的混合体。可见光谱中的所有颜色相结合就形成无色光，或白光。
任意组合红、绿、蓝光，就能形成可见光谱中的所有颜色。这也是计算机显示器（三原色显示器）的成色原理。
您可以在家试试下面这个吸收实验：拿出之前用蓝色玻璃纸蒙住的手电筒，再拿一根香蕉，走进一间暗室，将蓝光照在香蕉上。猜猜香蕉会是什么颜色？它实际上又是什么颜色呢？如果把蓝光照到黄色的香蕉上，黄色本应吸收蓝频，但由于房间黑暗，黄光无法反射回人眼。因此，香蕉呈黑色。 如果您有绛红、蓝绿和黄色三种颜料或色素，并用这些颜色画了三个重叠的圆圈（如图4所示），就会看到绛红与黄色的重叠部分呈红色。蓝绿与黄色混合呈绿色，而蓝绿与绛红混合呈蓝色。当所有颜色都被吸收时，就会出现一种特殊情况 ——黑色。无论混合黄色与蓝色、蓝绿色与红色还是绛红与绿色，都能形成黑色。这些特定的混合会确保没有任何可见光的频率能反弹回人眼。
但图4中展示的色调好像和美术老师讲授的混合色相反，对吧？如果混合黄色和蓝色的蜡笔，得到的是绿色，而不是黑色。这是因为人工合成色素（如蜡笔）的吸收性能不好，它们不能吸收所有其他颜色，并只留下一种。黄色蜡笔能吸收蓝色和紫罗兰色，反射红色、橙色和绿色。蓝色蜡笔可吸收红色、橙色和黄色，反射蓝色、紫罗兰色和绿色。因此，混合黄色与蓝色蜡笔时，会吸收除绿色以外的所有颜色。所以混合后呈现的是绿色，而不是图4所展示的黑色。 由此可见，我们有两种看到颜色的基本方式。一种是物体以人眼所见颜色的频率直接散发的光波；另一种是物体吸收所有其他频率，只把呈现为所见颜色的光波或混合光波反射回人眼。例如，要看到黄光，一种方式就是物体直接发出黄色频率的光；另外一种方式就是吸收光谱中蓝色部分的光，反射红色和绿色部分的光，这两种光混合后被人眼感知为黄光。
光波碰到物体时发生的情况，取决于光波的能量、电子在物体材料中振动的自然频率，以及材料中的原子把持电子的强度。基于这三个因素，光碰到物体时会出现四种不同情况：
大多数材料都可以让某些频率透过，而不让另一些频率透过。例如，伽马射线和X射线等高频光可以穿透普通玻璃，但紫外线和红外线等低频光则不能。 您可以在本页更详细地了解玻璃为什么是透明的。
发生吸收时，入射光波的频率与材料中电子的振动频率相同或相近。电子吸收光波的能量，然后开始振动。接下来会发生什么则取决于原子吸附电子的紧密程度。电子被紧密把持时就会开始吸收，并将振动传递给原子中的核子。这会让原子加速，与材料中的其他原子相碰撞，然后以热量形式释放从振动中获取的能量。
吸收光线让物体在入射波的频率下显得颜色较暗或不透明。可见光无法穿透木材，有些材料不能让某些光频穿透，但能让其他光频穿透。紫外光无法穿透玻璃，但可见光则能穿透。
有些材料中的原子对电子把持松散。换句话说，这些材料包含了很多自由电子，可随意从材料内的一个原子跳到另一个原子。这种材料中的电子从入射光波吸收能量时，不会将能量传递给其他原子。受激发的电子只会振动，然后以与入射波频率相同的光波将能量送回物体之外。如此一来，整体的效果就是光波不会穿透材料很深。
大多数金属里的电子都把持松散，可以自由地四处移动，因此这些金属能反射可见光，从而看上去金光闪闪。玻璃中的电子有一定的自由度，但不如金属中的电子自由。因此玻璃也能反射光，看上去也有光泽，只是程度不及金属。 反射波离开材料表面的角度通常与入射波碰触材料表面的角度相等，这在物理学中称为反射定律。您大概听过对反射定律的这种表述：“入射角等于反射角”。
您可以亲自验证反射光的频率与入射波是否相同。只要看看镜中的自己便会知道。镜中映像的颜色与在自己身上看到的颜色一样，衬衫和头发的颜色，与镜中反射的颜色也相同。如果不是这样，我们就只能靠别人来告诉我们自己的外貌了！
散射只是粗糙表面上发生的反射。由于表面粗糙不平，入射光波会向各个角度反射，纸张表面就是一个典型范例。如果在显微镜下看，就会发现纸张表面非常粗糙。当光碰到纸张时，光波会向各个方向反射。正因如此，纸张才格外有用：无论以何种角度，人眼都能看到打印纸张上的文字。
另一个有趣的粗糙表面是地球的大气层。您可能不会将大气层看作“表面”，但对于入射白光来说，它就很粗糙。大气层中包含多种大小各异的分子，包括氮、氧、水蒸气和各种污染物。这些分子混在一起会散射高能光波，也就是我们所看到的蓝光，因此天空看上去一片蔚蓝。
当入射光波的能量与材料中电子的自然振动频率一致时，就会发生折射。光波深深穿透材料，导致电子产生小幅振动。电子将这些振动传递给材料中的原子，并发出与入射波频率相同的光波，但这些都需要时间。在材料内的光波部分减速时，物体外的光波部分还保持着原有频率，于是就产生了这样的效果：物体内的光波部分弯向法线——法线是一条人为虚构的直线，垂直伸向物体表面。与尚未进入物体的光相比，物体内的光偏离法线的角度更小。
光波的弯曲量（或折射角）取决于材料减缓光速的程度。钻石减缓光速的程度远远超过某些物质（例如水），否则它也不会如此闪亮。钻石的折射率大于水，这就是说钻石减缓光速的程度更大。
有一个折射现象很有趣，那就是不同频率或能量的光，弯曲的角度也略有不同。下面我们比较一下射进玻璃棱镜的紫罗兰光和红光。由于紫罗兰光能量较高，与玻璃相互作用的时间也较长。因此，它的减速程度也大于红光的光波，弯曲程度也更高。这就是我们在彩虹中所见颜色顺序的成因。也正因如此，钻石才带有彩虹的条纹，令它如此赏心悦目。
您是否曾经感到好奇——肥皂泡为何有彩虹的颜色，或者潮湿路面上的溢油内为何有彩虹的颜色？当光波穿过有两个反射面的物体时，就会发生这种情况。如下面的图5所示，两道频率相同的入射光波碰到肥皂薄膜时，部分光波从薄膜顶层反射，另一部分光则穿过薄膜并从底层反射。穿透薄膜的这部分光波与薄膜的相互作用时间更长，因此无法与顶层反射的光波同步进行。物理学家把这种情况称为异相。当这两组光波碰到眼睛的光感受器时，就会互相干扰。干扰导致光波相加或相减，从而形成频率或颜色不同的新光波。
基本说来，当白光（不同颜色的混合体）照射到有两个反射面的膜层上时，各种反射波互相干扰，便形成了彩虹条纹。当您变换角度看膜层时，就改变了光到达眼睛必须传播的路线，因而条纹的颜色也会改变。如果减小看膜层的角度，则光到达眼睛必须传播的膜层数量就会增加，这会造成更大的干扰。
我们看到的一切都是由光的本质所产生，并受其影响。光是一种能量，以波的形式传播。人眼只能看到称为“可见光”的波频。通过全面了解光的波动性，就能解释颜色的来源、光的传播方式，以及光碰到不同材料时会发生什么情况。
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