ライト

透明な物体は光を透過させます。逆に、不透明な物体は光を透過させず、代わりに受け取った光を反射または吸収します。ほとんどの物体は光を鏡面反射または透過させず、ある程度入射光を散乱させます。これを光沢と呼びます。表面散乱は反射面の表面粗さによって引き起こされ、内部散乱は物体内部の粒子と媒質の屈折率の差によって引き起こされます。透明な物体と同様に、半透明な物体も光を透過させますが、半透明な物体は内部散乱によって特定の波長の光を散乱させます。^{[ 23 ]}

屈折とは、光線が透明な物質と透明な物質の間の表面を通過する際に曲がる現象です。これはスネルの法則によって説明されます。

$${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}}$$

ここで、θ ₁は第 1 媒質における光線と表面法線との間の角度、 θ ₂は第 2 媒質における光線と表面法線との間の角度、n ₁およびn ₂は屈折率であり、n = 1 は真空中、n > 1は透明物質中である。

光線が真空と別の媒質との境界、あるいは2つの異なる媒質との境界を通過する際、光の波長は変化しますが、周波数は一定のままです。光線が境界に対して直交（または法線）でない場合、波長の変化によって光線の方向が変化します。この方向の変化は屈折と呼ばれます。

レンズの屈折特性は、像の見かけの大きさを変えるために光を操作する際によく利用される。拡大鏡、眼鏡、コンタクトレンズ、顕微鏡、屈折望遠鏡などは、いずれもこの操作の例である。

紀元前5世紀、エンペドクレスは万物は火、空気、土、水の4つの元素から構成されていると仮定した。彼は、女神アフロディーテが4つの元素から人間の目を作り、目に火を灯し、それが目から輝き出て視覚を可能にしたと信じていた。これが真実であれば、昼間と同じように夜でも見ることができるはずなので、エンペドクレスは目からの光線と太陽などの光源からの光線との相互作用を仮定した。^{[ 35 ]}

紀元前300年頃、ユークリッドは『光学』を著し、その中で光の性質を研究した。ユークリッドは光が直進すると仮定し、反射の法則を記述し、それを数学的に研究した。彼は視覚が目からの光線の結果であるという考えに疑問を呈し、目を閉じて夜に再び目を開けると、どのようにしてすぐに星が見えるようになるのかと問いかけた。目からの光線が無限の速さで進むのであれば、これは問題にならない。^{[ 36 ]}

紀元前55年、古代ギリシャの原子論者の思想を受け継いだローマ人ルクレティウスは、「太陽の光と熱は、微小な原子から成り立っており、原子が押し出されると、押し出された方向に空気の空間をまっすぐに横切ってすぐに飛び出す」と記した（『宇宙の本質について』より）。後の粒子理論と似ているにもかかわらず、ルクレティウスの見解は一般には受け入れられなかった。プトレマイオス（2世紀頃）は著書『光学』の中で光の屈折について記している。^{[ 37 ]}

古代インドでは、紀元後数世紀頃から、ヒンドゥー教のサーンキヤ学派とヴァイシェーシカ学派が光に関する理論を発展させた。サーンキヤ学派によれば、光は、粗大元素が生じる5つの基本的な「微細」元素（タンマートラ）の1つである。これらの元素の原子性については特に言及されておらず、実際には連続的なものと考えられていたようである。^{[ 38 ]} ヴィシュヌ・プラーナでは、太陽光を「太陽の7つの光線」と呼んでいる。^{[ 38 ]}

5世紀のディグナーガや7世紀のダルマキールティなどのインド仏教徒は、現実が瞬間的な光やエネルギーの閃光である原子的な実体で構成されているという哲学である原子論の一種を発展させた。彼らは光をエネルギーと同等の原子的な実体とみなした。^{[ 38 ]}

ルネ・デカルト（1596年 - 1650年）は、光は発光体の機械的性質であると主張し、イブン・アル＝ハイサムとヴィテロの「形式」や、ロジャー・ベーコン、ロバート・グロステスト、ヨハネス・ケプラーの「種」を否定した。^{[ 39 ]} 1637年、彼は光の屈折に関する理論を発表したが、これは光が密度の高い媒質では密度の低い媒質よりも速く伝わるという誤った仮定に基づいていた。デカルトはこの結論を音波の挙動との類推によって導き出した。デカルトは相対的な速度については誤っていたが、光が波のように振る舞うという仮定と、屈折は異なる媒質における光の速度によって説明できるという結論については正しかった。

デカルトは機械的な類推を用いた最初の人物ではないが、光は発光体と透過媒体の機械的な性質にすぎないと明確に主張したため、デカルトの光の理論は現代物理光学の始まりとみなされている。^{[ 39 ]}

原子論者のピエール・ガッサンディ（1592年 - 1655年）は、光の粒子説を提唱し、その著作は1660年代に死後出版された。アイザック・ニュートンは幼い頃からガッサンディの研究を研究し、デカルトの充満説よりもガッサンディの見解を支持した。 1675年の著書『光の仮説』の中で、ニュートンは光は光源からあらゆる方向に放出される微粒子（物質の粒子）から構成されていると述べた。光の波動性に対するニュートンの反論の一つは、波は障害物の周りを曲がるのに対し、光は直進するという事実であった。しかし、ニュートンは光の回折現象（フランチェスコ・グリマルディによって観測されていた）については、光粒子がエーテル中に局所的な波動を生じさせる可能性があると説明することで、その現象を解明した。

ニュートンの理論は光の反射を予測するために使用できたが、光がより密度の高い媒質に入ると重力が大きくなるため加速するという誤った仮定によってのみ屈折を説明できた。ニュートンは1704年に著書『光学』で理論の最終版を発表した。彼の名声は18世紀に光の粒子説が優勢になるのに役立った。光の粒子説はピエール＝シモン・ラプラスに、物体が非常に質量が大きいと光がそこから脱出できないという主張をさせた。言い換えれば、それは現在ブラックホールと呼ばれるものになるだろう。ラプラスは後に光の波動説が光のモデルとして確固たる地位を築いた後、この提案を撤回した（すでに説明したように、粒子説も波動説も完全に正しいわけではない）。ニュートンの光に関する論文の翻訳は、スティーブン・ホーキングとジョージ・F・R・エリスによる『時空の大規模構造』に掲載されている。

光が偏光するという事実は、ニュートンが粒子理論を用いて初めて定性的に説明した。1810年、エティエンヌ＝ルイ・マリュスは偏光に関する数学的な粒子理論を構築した。1812年、ジャン＝バティスト・ビオはこの理論が既知の光の偏光現象すべてを説明できることを示した。当時、偏光は粒子理論の証明とみなされていた。

色の起源を説明するために、ロバート・フック(1635–1703) は「パルス理論」を発展させ、1665 年の著書『ミクログラフィア』 （「観察 IX」）で光の広がりを水中の波の広がりと比較した。1672 年にフックは、光の振動は伝播方向に対して垂直である可能性があると示唆した。クリスティアーン・ホイヘンス(1629–1695) は 1678 年に光の数学的波動理論を考案し、1690 年に著書『光に関する論考』で発表した。彼は、光は光を伝えるエーテルと呼ばれる媒体中の一連の波としてあらゆる方向に放出されると提案した。波は重力の影響を受けないため、より密度の高い媒体に入ると速度が遅くなると考えられた。^{[ 40 ]}波動理論のもう 1 つの支持者はレオンハルト・オイラーであった。彼は『光と色の新理論』（1746 年）で、回折は波動理論によってより簡単に説明できると主張した。

波動理論は、光波が音波のように互いに干渉し合う可能性があると予測した（トーマス・ヤングが1800年頃に指摘したように）。ヤングは、多数の回折実験によって光が波のように振る舞うことを示した。^{[ 42 ] : 101}彼は、1802年1月に著書『自然哲学と実験哲学に関する講義のシラバス』の中で、干渉の「一般法則」を初めて公に述べた。^{[ 43 ]}

しかし、これらすべての現象を支配する一般的な法則は、不完全なユニゾンのビートにおいて2つの音符が交互に強弱を生み出すのと同様に、互いに協力したり打ち消し合ったりする2つの同時発生的な波動の干渉から非常に容易に推論できる。^{[ 44 ]}

彼はまた、異なる色は光の波長の違いによって生じると提唱し、目の3種類の色受容体によって色覚を説明した。

1816年、アンドレ＝マリー・アンペールは、光が横波であれば、光の偏光は波動理論で説明できるというアイデアをオーギュスタン＝ジャン・フレネルに与えた。^{[ 45 ]}その後、フレネルは独自に光の波動理論を構築し、1817年に科学アカデミーに発表した。シメオン・ドニ・ポアソンは、フレネルのモデルは常識に反して円形の障害物の後ろの影に明るい点があると予測しているとして、フレネルのモデルに異議を唱えた。ドミニク＝フランソワ＝ジャン・アラゴは明るい点を示す実験を行った。ポアソンの異議は波動理論の新たな証拠となった。^{[ 42 ] : 109} 1818年、ヤングはアラゴに、光は音に特徴的な縦波ではなく、横波でなければならないと示唆する手紙を書いた。フレネルはこのアイデアを取り上げ、縦振動のない光の横波理論によって偏光を説明できることを数学的手法で示すことができた。^{[ 42 ] : 115}

波動説の弱点は、光波も音波と同様に、伝達のための媒体を必要とする点にあった。 1678年にホイヘンスが提唱した、光を運ぶ仮想物質であるエーテルの存在は、19世紀後半にマイケルソン・モーリーの実験によって強く疑われることになった。

ニュートンの粒子説は、光は密度の高い媒質中を速く進むことを示唆していたが、ホイヘンスらの波動説は正反対のことを示唆していた。当時、光速はどちらの理論が正しいかを判断するのに十分な精度で測定できなかった。十分な精度で測定を行った最初の人物は、1850年のレオン・フーコーであった。 ^{[ 46 ]}彼の結果は波動説を支持し、古典的な粒子説は最終的に放棄された（ただし、20世紀に量子論の光子として部分的に再登場した）。

1845年、マイケル・ファラデーは、直線偏光の偏光面が、透明な誘電体の存在下で光線が磁場の方向に沿って進むときに回転することを発見した。この効果は現在ファラデー回転として知られている。^{[ 47 ]}これは、光が電磁気と関係しているという最初の証拠であった。1846年、彼は光が磁力線に沿って伝播する何らかの擾乱である可能性があると推測した。^{[ 47 ]}ファラデーは1847年に、光は高周波の電磁振動であり、エーテルなどの媒体がなくても伝播できると提唱した。^{[ 48 ]}

ファラデーの研究は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルに電磁放射と光の研究を促しました。マクスウェルは、自己伝播する電磁波が空間を一定の速度で伝わることを発見しました。この速度は、以前に測定された光速と偶然にも一致していました。このことから、マクスウェルは光が電磁放射の一種であると結論付け、1862年に著書『力の物理的線について』でこの結果を初めて発表しました。1873年には『電気と磁気に関する論文』を出版し、その中で電場と磁場の挙動を完全に数学的に記述しました。これは現在でもマクスウェル方程式として知られています。その後まもなく、ハインリヒ・ヘルツは実験室で電波を発生させて検出することでマクスウェルの理論を実験的に検証し、これらの電波が可視光と全く同じように振る舞い、反射、屈折、回折、干渉などの特性を示すことを実証しました。マクスウェルの理論とヘルツの実験は、現代のラジオ、レーダー、テレビ、電磁画像処理、無線通信の開発に直接つながりました。

量子論では、光子はマクスウェルの古典理論で記述された波の波束として捉えられます。量子論は、マクスウェルの古典理論では説明できなかった可視光における現象（スペクトル線など）を説明するために必要でした。

1900年、マックス・プランクは黒体放射を説明しようとして、光は波であるが、これらの波は周波数に関連した有限の量でしかエネルギーを得たり失ったりできないと提唱した。プランクはこれらの光エネルギーの「塊」を「量子」（ラテン語で「どれくらい」を意味する言葉から）と呼んだ。1905年、アルバート・アインシュタインは光量子の概念を用いて光電効果を説明し、これらの光量子が「実在する」と示唆した。1923年、アーサー・ホリー・コンプトンは、電子から散乱した低強度のX線（いわゆるコンプトン散乱）に見られる波長シフトは、X線の粒子理論では説明できるが、波動理論では説明できないことを示した。1926年、ギルバート・N・ルイスはこれらの光量子粒子を光子と名付けた。^{[ 49 ]}

最終的に量子力学は、光を（ある意味では）粒子と波の両方として捉え、（別の意味では）粒子でも波でもない現象として捉えるようになった（粒子と波は実際には野球ボールや海の波のような巨視的な現象である）。その代わりに、いくつかの近似の下では、光は、ある種類の巨視的な比喩（粒子）に適した数学で記述される場合もあれば、別の種類の巨視的な比喩（波）に適した数学で記述される場合もある。

電波やコンプトン散乱に関わるX線の場合と同様に、電磁波は低周波数では古典的な波のように振る舞い、高周波数では古典的な粒子のように振る舞う傾向があるが、どちらか一方の性質を完全に失うことはない、と物理学者は指摘している。周波数が中間的な可視光は、波動モデル、粒子モデル、あるいはその両方を用いて容易に記述できることが実験によって示されている。

1924年から1925年にかけて、サティエンドラ・ナート・ボースは、光が古典的な粒子とは異なる統計に従うことを示した。彼らはアインシュタインと共に、この結果をボース＝アインシュタイン統計に従うボソン（ボースにちなんで名付けられた）と呼ばれる一連の整数スピン粒子に一般化した。光子は質量ゼロのスピン1のボソンである。

1927年、ポール・ディラックは電磁場を量子化した。パスカル・ジョルダンとウラジミール・フォックはこの過程を一般化し、多体システムを量子場の励起として扱うようになった。この過程は「第二量子化」という誤った名称で呼ばれている。そして1940年代末には、ジュリアン・シュウィンガー、リチャード・ファインマン、フリーマン・ダイソン、朝永慎一郎らの研究に基づき、量子場を用いた量子電磁力学の完全な理論が開発された。

ジョン・R・クラウダー、ジョージ・スダルシャン、ロイ・J・グラウバー、レナード・マンデルは、 1950年代から1960年代にかけて、光検出と光の統計（コヒーレンス度を参照）をより詳細に理解するために、量子論を電磁場に適用しました。これにより、古典的な描像で波を記述する電磁場を参照するだけでは光を完全に記述できないことが理解されるようになり、レーザー光、熱光、エキゾチックなスクイーズド状態などの変動を扱う概念として、コヒーレント状態が導入されました。1977年、H・ジェフ・キンブルらは、一度に1つの光子を放出する単一の原子を実証し、光が光子から構成されているという説得力のある証拠をさらに強固なものにしました。その後、スクイーズド光など、古典的な状態とは異なる特性を持つ、これまで知られていなかった光の量子状態が発見されました。

Qスイッチングやモード同期技術によって生成される短パルスおよび超短パルスレーザーの開発は、後に超高速プロセスとして知られるようになる現象の研究への道を開きました。固体物理学の研究（例えばラマン分光法）への応用が見出され、光が物質に及ぼす機械的な力が研究されました。後者は、レーザービームを用いて原子雲や小さな生物試料を光トラップや光ピンセット内で浮遊させ、位置決めすることにつながりました。これは、ドップラー冷却やシシュポス冷却と並んで、有名なボーズ・アインシュタイン凝縮を実現するために必要な重要な技術でした。

その他の注目すべき成果としては、量子もつれ、量子テレポーテーション、量子論理ゲートの実証が挙げられる。後者は量子情報理論において非常に重要であり、この分野は量子光学と理論計算機科学から部分的に発展したものである。