灯是什么?这个问题从古代开始就令科学家、画家、诗人、作家以及任何接触过棱镜的人着迷。
例如，毕达哥拉斯、欧几里得和托勒密都承认光是直线运动的。但他们不认为光线从物体传播到眼睛，而是认为眼睛发出视觉光线，就像触角一样，触摸物体，从而在头脑中产生视觉。
欧几里得在公元前3世纪指出，把一根针扔在地上——如果你去寻找它，你可能会觉得奇怪，那根针并不是立刻就能看到的。他假设，如果光线从一个物体瞬间发射到眼睛，你应该立即看到它。
他认为延迟的原因一定是搜索地面的视觉射线还没有接触到针。然后，在一瞬间，你发现了它。这种关于光和视觉的古老观念以各种形式在西方传播，直到公元12世纪。
它被Ibn al-Haytham拒绝了，他是10世纪的一位科学家，来自现在的伊拉克。阿尔-海瑟姆在西方被称为阿尔哈森，绰号是“托勒密二世”和“物理学家”。
他指出，你不可能长时间注视太阳而不感到巨大的痛苦;如果你盯着一个明亮的物体看半分钟，然后闭上眼睛，这个物体的彩色图像就会浮现在你的视野中。在每一种情况下，物体发射的某些物质一定进入了眼睛。
阿尔哈曾的译本《光学后来，艺术家莱昂纳多·达·芬奇、物理学家伽利略·伽利雷、天文学家约翰内斯·开普勒、哲学家René笛卡尔和数学家克里斯蒂安·惠更斯等人都阅读了它，他们都对我们对光和视觉的理解做出了贡献。
达·芬奇认为眼睛是暗箱——字面意思是“一个黑暗的房间”——光线通过一个小孔(瞳孔)进入，并在眼睛后部(视网膜)形成外部场景的倒映图像。开普勒在1604年首次使用这个术语暗箱在17世纪成为了人类视觉的主要模式。
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粒子或波?
到1770年，两种显然不相容的光理论开始竞争。第一种是由惠更斯在1678年提出并于1690年发表的波动理论:光以波的形式传播。光波从光源向各个方向传播，并通过它们在视网膜上产生的振动来检测。
它们被认为类似于音叉传播的声波，由视网膜而不是鼓膜作为探测器。对于声音来说，波动的媒介是空气;在光线的作用下，它被认为是一种不可见的、神秘的媒介，被称为“以太”。
相比之下，1666年开始光学实验的艾萨克·牛顿则偏爱微粒理论:光是粒子。光线从光源以一束微小的粒子或“微粒”的形式传播，像子弹一样穿过真空(而不是以太)，并通过它们对视网膜的冲击来检测。
也就是说，牛顿远不能确定。他一直等到1704年才出版他的Opticks他把自己的想法以一系列“疑问”的形式呈现出来，这些问题的答案远非确定的，偶尔还会支持波动理论。
当然，这两种理论的真正检验是实验。每种理论在解释反射、折射和衍射方面的效果如何?
最简单的现象是光以直线的方式传播，比如太阳光穿过云层或日食。这样的行为在小体流中是可以预料到的，但在波中却不是。
扔进池塘的石头激起的水波向四面八方扩散，并在一定程度上绕过障碍物。人们可以听到声波弯曲。
然而，光线似乎没有弯曲。用牛顿强调的话说:“声音通过弯曲的管道传播和通过笔直的管道传播一样容易。但光明从不知道沿着弯曲的通道走，也不会弯曲到阴影里。”
反射呢?当光线照射到镜子上时，入射角等于反射角。在微粒理论中，解释很简单:微粒的行为必须像台球一样，以相等的角度从台球桌的垫子上弹开。
波动理论也没有真正的困难。一旦惠更斯假设光线可以用数学模型表示为波前点的路径，他就可以很容易地推导出反射定律。
折射是一个更有决定性的测试。当光线照射水面并穿过水面时，入射角和折射角是不同的。
折射角小于入射角，所以光线会向法线(垂线)弯曲。虽然他们的关系在1621年被阐明为斯涅尔定律，但它仍然需要一个物理解释。
牛顿的尝试不太令人信服。他提出光在水中的速度比在空气中快——这是一个反直觉的想法，因为水是密度更大的介质。
牛顿说，一旦它们进入水中，微粒就会受到一种力的作用，这种力增加了它们的速度，改变了它们的运动方向。然而，这种力的性质是无法解释的，也没有其他现象的支持证据。
相比之下，惠更斯号认为光在水中比在空气中传播得慢。然后，他直接而简单地使用波动理论，没有假设任何新的力，来计算斯涅尔定律。但这一结论绝非结论性的。
光在空气和水中的速度到底是多少?Ole Rømer在17世纪70年代使用天文测量第一次对光速做出了现代估计，但直到1850年，测量的精度才足够证明，正如惠更斯假设的那样，光在水中比在空气中运动得慢。
最后，还有衍射现象，这是弗朗西斯科·格里马尔迪在17世纪中期首次观察到的现象。他让一束光通过一个小的圆形光圈进入一个黑暗的房间，然后让它通过第二个光圈，并在屏幕上。他注意到屏幕上的光点比第二个光圈略大，并且有彩色的条纹。
当他把一个细细的障碍物放在横梁上时，它的影子并不清晰，有明亮的条纹，很窄，很有颜色，沿着阴影的外缘。换句话说，光可以被光圈和障碍物弯曲或衍射，即使只有很小的弯曲。
当牛顿重复格里马尔迪的实验时，他也观察到了彩色条纹。困惑的他声称，孔洞或障碍物的边缘干扰了小体的路径。虽然波动理论不能解释颜色，但它比它的对手更好地解释了衍射。
然而，牛顿的声望使得他的光理论在启蒙运动时期占据了主导地位。1771年，第一版的百科全书大胆地宣称:“光是由数量惊人的粒子组成的，这些粒子从一个发光的物体向各个方向流动;而这些粒子是如此之小，超出了人类的理解范围。”
直到19世纪初，小体才受到波动的严重挑战。1804年左右，托马斯·杨(Thomas Young)证明了光的干涉，两束重叠的光束会产生亮条纹和暗条纹，相当于两束水波的干涉。
小体不能产生这样的图案。随后的实验偏振光法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳提出了横向光波。它的各分量以正确的角度相互振荡，并与传播方向成直角，而像声音这样的纵波只在传播方向振荡。
一个振动波?
19世纪三四十年代，迈克尔·法拉第证明了力的电场和磁场之间的相互关系。
然后，麦克斯韦将法拉第的场在数学上合并成一个概念:一种具有横向电和磁分量的电磁波，麦克斯韦计算出它在以太中的传播速度与测量的光速相似，约为每秒30万公里。
现在不同颜色的光对应不同的波长和频率。19世纪80年代，德国物理学家海因里希·赫兹通过实验证明了这种波的存在。
麦克斯韦出色地解决了一个问题，但没有为以太提供物理解释。如果光是波，那振动的是什么?在19世纪后半叶，持续不断的探测以太的尝试以失败告终。
1905年后，随着阿尔伯特·爱因斯坦的到来狭义相对论，麦克斯韦的以太被当作一个不必要的概念抛弃了。相对论始于爱因斯坦1895年关于追逐光线的“思想实验”。
十年后，他写道:“如果我追求一束速度为c(真空中的光速)的光，我应该观察到这样一束光是一个静止的空间振荡电磁场。然而，无论根据经验还是麦克斯韦方程，似乎都没有这样的东西。”
如果我们的速度超过光速，爱因斯坦设想了这样一种情况:我们可能会逃离光信号，而赶上之前发送的光信号。
最近发出的光信号首先会被我们的眼睛检测到，然后我们会看到逐渐变老的光信号。“我们应该按照它们被发送时的倒序来捕捉它们，这样我们地球上发生的一系列事情就会像一部倒序放映的电影，以幸福的结局开始。”
光子是什么?
追赶或超车的想法显然是荒谬的。爱因斯坦假设光速总是相同的，与发射源或探测器的运动无关，也不需要任何通用的参照系，如以太。
如果这还不够激进的话，1905年，爱因斯坦还以一种更现代的形式提出了牛顿微粒理论的回归。光的“量子”(后来被称为光子)取代了微粒。
1900年，马克斯·普朗克假设，只有当辐射以离散包的形式释放或吸收时，即“量子”，才能解释炽热天体的电磁光谱。
现在，爱因斯坦在考虑了光电效应(某些金属在受到辐射时发射电子的方式)之后提出，不仅光的发射和吸收被量化(形成量子)，光本身也被量化。在他们之间，普朗克和爱因斯坦提出了一个决定20世纪物理学进程的理论。
今天，物理学家不得不接受光既表现为粒子，又表现为波，这取决于他们选择如何测量它的现象。但其潜在的物理性质仍然是个谜。
1955年去世前几年，爱因斯坦说:“50年来有意识的沉思并没有让我更接近这个问题的答案，‘什么是光量子?’当然，今天每个流氓都以为自己知道答案，其实他是在自欺欺人。”
自20世纪80年代以来，精密的实验重现了杨的关键实验，并表明单个光子可以以某种方式干扰自己。在他备受称赞的研究中捕捉光线,量子物理学家阿瑟·扎容克承认:“光在根本上仍然是神秘的。”
- 本文首次发表于《科学》杂志第275期BBC科学焦点杂志- - - - - -点击这里了解如何订阅
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