当我们看到物体时，实际上是看到了光 -- 光以某种方式离开物体，到达人的眼睛。我们还会在发光的物体上看到光，如电灯泡、激光器、萤火虫和太阳。本文将带你了解光波如何产生、光如何传播，以及怎样用光解释颜色的来源。
无色，我们称之为白光。虽然我们能看见这种光，但白光并没有纳入可见光谱。因为白光不是单色或单频光，而是由多种色频组成。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。
相加色 - 你可以用三支手电筒和红、绿、蓝（通常称为三原色）三种不同颜色的玻璃纸做相似的实验。用一到两层红色玻璃纸蒙住一支手电筒，然后用橡胶带固定玻璃纸（不要用太多层玻璃纸，否则会阻挡手电筒发出的光）。用蓝色玻璃纸蒙住另一支手电筒，再用绿色玻璃纸蒙住第三支手电筒。走进黑暗的房间，打开手电筒并照向一面墙上，以便光束重合。在红光和蓝光重合之处，会看到绛红色。在红光和绿光重合之处，会看到黄色。在绿光和蓝光重合之处，会看到蓝绿色。你将发现，有多种颜色组合能形成白光，如黄与蓝、绛红与绿、蓝绿与红，以及所有颜色相混合。
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。
相减色 - 另一种制作颜色的方法是吸收某些光频，从而将它们从白光组合中去除。吸收掉的颜色将不能看到，你只会看到反弹回眼睛的颜色。这就是颜料和染料的显色原理。颜料或染料分子会吸收特定的频率，并将其他频率反弹或反射回眼睛。反射的频率（一个或多个）就是你看到的物体颜色。例如，绿色植物的叶子中包含一种名叫叶绿素的色素，会吸收光谱中的蓝色和红色，并反射绿色。
白热光的基础。如果用喷灯加热马蹄铁，它最终会变红热，如果加热程度足够，还会变白热。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众多不同的电子，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：
卤素灯 - 卤素灯用电产生热量，同时借助于一种能让灯丝变热的技术。
燃气灯 - 燃气灯用天然气或煤油等燃料作为热源。
荧光灯 - 荧光灯用电直接激发原子，而不需要热量。
激光器 - 激光器用能量为激光介质“充能”，而所有被激发的原子又以完全相同的波长和相位转出它们的能量。
夜光玩具 - 夜光玩具里的电子会受到激发，但较长时间后又返回低能级轨道，因此玩具能发光半小时。
Indiglo 手表 - Indiglo 手表通过电压激发磷原子。
化学荧光棒 - 就这方面而言，化学荧光棒和萤火虫都是用化学反应激发原子。
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。
吸收室内流动的一些光子，这样你就看见了物体。
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。How Nuclear Radiation Works 较为详细地介绍了质子、中子和电子。例如，氢原子就有一个电子绕核子运转。氦原子有两个电子绕核子运转。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优先数量。
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，电子会散发具有特别特征的光子，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。
有些情况下你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，是因为你看到的时候它很黄。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，在此网页中有介绍）。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。如果让钠光射过棱镜，则看不到彩虹，只能看到一对黄线。
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。而可见光中，以紫罗兰色能量最高，红色能量最低。
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 万千米/秒或 18.6 万英里/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，这一点稍后将讨论。
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。
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你的手，就会激起水波，这是因为你向水中施加了能量。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。
光波更复杂一些，并且无需通过介质传播。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、磁场的振动方向均与光波的移动方向垂直，并且还互相垂直。由于光既有电场又有磁场，因此也称为电磁辐射。
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七米。但就电磁辐射的定义而言，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）。光只是整个频谱中的一小部分。
一种是粒子理论，部分用光子一词表述。
另一种是波动理论，用术语光波表述。
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，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，但即便现在也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太快，或者是人眼恰巧透视它们。
光波的观点是由克里斯蒂安·惠更斯于 17 世纪末提出，他认为光的行动与波相似，而不是粒子流。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。但不止这个，杨还在光条周围发现了其他光，只是不及光条明亮。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 -- 光由能量包流组成，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。本文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。
我们遇到光的另一种方式是借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫和太阳。每种设备都用不同的技术产生光子。
本文将从多个不同角度介绍光，让你确切了解光的原理！
如果你有绛红、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，看到黄色的物体有两种可能：要么物体直接散发黄频的光波；要么物体吸收光谱中的蓝色部分，将红色和绿色部分反射回人眼，从而让人眼将混合的频率识别为黄色。
光波从物体上反射或散射。
光波被物体吸收。
光波通过物体折射。
光波能穿过物体，而不产生任何效应。
在上述可能性中，也可以同时发生几种。
透射 - 如果入射光波的频率或能量远高于或远低于让材料中的电子振动所需的频率，那电子就不会吸取光的能量，光波也会毫无变化地穿过材料。也就是说，该材料可以让这种光频透过。
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。
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。
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，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。你可能听过对反射定律的这种表述：“入射角等于反射角”。
你可以亲自验证反射光的频率与入射波相同。只要看看镜中的自己就知道。你看到镜中映像的颜色与在自己身上看到的颜色一样。你的衬衫和头发的颜色，与镜中反射的衬衫和头发颜色相同。如果不是这样，我们就只能靠别人来告诉我们自己的外貌！
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。你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，也就是我们看到的蓝光。因此天空看上去一片蔚蓝。
法线 -- 法线是一条虚构的直线，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。由此，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，钻石才带有彩虹条纹，令它如此赏心悦目。
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部分同步。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，形成了彩虹条纹。当你变换角度看膜层时，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。
