光是电磁波
一提到光，人们会立刻联想到太阳光和电灯光。光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。点光源是只有几何位置而没有大小的光源。在自然界，理想的点光源是不存在的，但是对于均匀发光的小球体，如果它本身的大小和它到观察点的距离相比小得多，我们就可以近似地把它看作点光源。激光器发出的光也可以看作是点光源。光线是光向前传播的一条类似几何线的直线。有一定关系的一些光线的集合叫光束。
光具有两种特性，即波动性和粒子性，下面分别加以介绍。
光的波动性——麦克斯韦预言存在电磁波
麦克斯韦电磁学论文《论法拉第力线》的诞生过程。
英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James ClerkMaxwell，1831—1879年）的电学研究始于1854年，当时他刚从剑桥大学毕业不过几星期，读到了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。当时人们对法拉第的观点和理论看法不一，有不少非议。原因之一就是法拉第理论的严谨性还不够，法拉第是实验大师，有着常人所不及之处，唯独欠缺数学功力，所以他的学术创见都是以直观形式来表达的。一般的物理学家恪守牛顿的物理学理论，对法拉第的学说感到不可思议。在剑桥大学的学者中，这种分歧也相当明显。汤姆逊也是剑桥大学里一名很有见识的学者之一，麦克斯韦对他敬佩不已，麦克斯韦特意给汤姆逊写信，向他求教有关电学的知识。汤姆逊比麦克斯韦大7岁，对麦克斯韦从事电学研究给予过极大的帮助。在汤姆逊的指导下，麦克斯韦得到启示，相信法拉第的新论中有着不为人所了解的真理。他认真地研究了法拉第的著作后，感受到力线思想的宝贵价值，也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕业的青年科学家抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。
1855年麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第力线》。7年后，年仅31岁的麦克斯韦就从理论上科学地预言了电磁波的存在。1873年出版的《论电和磁》，把电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来，这些数学表达式经赫兹整理和改写，成为经典电动力学的主要基础——麦克斯韦方程组。因此，《论电和磁》被称为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部极为重要的物理学经典。
1864年，麦克斯韦（Maxwell）通过理论研究指出，和无线电波、X射线一样，光是一种电磁波，光学现象实质上是一种电磁现象，光波就是一种频率很高的电磁波，光波是电磁波谱的一个组成部分，如图2.1.1 所示。
图2.1.1电磁波频率与波长的换算
英国物理学家麦克斯韦完成了19世纪最美妙的科学发现——电磁场理论，并预言了电磁波的存在，他的理论预言得到了赫兹的实验证实。人类的无线电技术，就是在电磁场理论的基础上发展起来的。
利用它的波动性可解释光的反射、折射、衍射、干涉和衰减等特性。单频光称为单色光，在均匀介质中，可用麦克斯韦波动方程的弱导近似形式描述，即
式中，▽2是二阶拉普拉斯运算符；υ是在均匀介质中的波速；E和H分别是电场和磁场。可以用下面的纯正弦波描述一个传播的电磁波（用电场描述）：
式中，Ex是随时间和空间不断变化的电场；Eo是波幅；ωo=2πνo是角频率；ko是波数或传播常数。假定该电磁波无限扩展到所有空间，并在所有时间均存在，如图2.2.1所示。
光波可以用频率（波长）、相位和传播速度来描述。频率是每秒传播的波数，波长是在介质或真空中传输一个波（波峰-波峰）的距离。
频率用赫兹（Hz）、MHz、GHz或THz表示，1赫兹=1次/秒，即在单位时间内完成振动的次数，赫兹的名字来自于德国物理学家海因里希· 鲁道夫·赫兹（Heinrich Rodolf Hertz）。通常，将式（2.1.2）描述的正弦波幅度在1s内的重复变化次数称为信号的“频率”，用ν表示；而把信号波形变化一次所需的时间称作“周期”，用T表示，以秒（s）为单位。波行进一个周期所经过的距离称为“波长”，用λ表示，以米（m）为单位，ν、T和λ的关系为
ν=1/T，c=λν
式中，c是电磁波的传播速度，c=3×108m/s。
波长用微米（μm）或纳米（nm）表示。在日常生活中，把“光”定义为可用眼睛看见的辐射。图2.1.2a表示人的眼睛对各种波长辐射的相对灵敏度，由图可见，人眼对黄绿光最灵敏。
在总结了前人近百年的电磁学研究成果之后，麦克斯韦对法拉第的电磁感应理论（见5.1.2节）加以发展，他指出，变化的磁场能产生变化的电场，变化的电场也能产生变化的磁场，这种交替变化的电磁场会以波的形式在空间传播。麦克斯韦的电磁场理论，把光学和电磁学统一了起来，是19世纪科学史上极伟大的科学理论之一。
图2.1.2光的波动性和光子性
a）人眼对不同波长光的灵敏度b）光电效应实验装置图
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879年），英国物理学家、数学家，经典电动力学创始人，统计物理学奠基人之一。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理，毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授，最后是在剑桥大学任教。普遍认为，麦克斯韦是对物理学非常有影响力的物理学家之一。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。1879年，48岁的麦克斯韦因病与世长辞，他光辉的生涯就这样过早地结束了。
麦克斯韦的主要成就是，建立了麦克斯韦方程组，创立了经典电动力学，预言了电磁波的存在，提出了光的电磁说。代表作品有《电磁学通论》《论电和磁》等。麦克斯韦方程组简洁深刻，被誉为“上帝谱写的诗歌”。
英国物理学家麦克斯韦
1886年，赫兹经过反复实验，发明了一种金属环，用这种环做了一系列的实验，终于在1888年证实了人们怀疑和期待已久的电磁波的存在。赫兹的实验公布后，轰动了科学界，由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论，至此取得了决定性的胜利。麦克斯韦的伟大遗愿终于实现了。
1891—1893年，德国物理学家赫兹又用实验方法测出了电磁波的传播速度，它和光的传播速度近似相等。
