ライト

白色光線を分散させる三角プリズム。長波長（赤）と短波長（緑青）が分離されます。

光、可視光線、または可視放射線は、人間の目で知覚できる電磁放射線です。^{[ 1 ] [ 2 ]}可視光は可視スペクトルにまたがり、通常、400～700ナノメートル（nm）の波長を持つと定義され、これは750～420テラヘルツの周波数に相当します。可視帯域は、赤外線（波長が長く周波数が低い）と紫外線（波長が短く周波数が高い）に隣接しており、これらを総称して光放射線と呼びます。^{[ 3 ] [ 4 ]}

物理学において、「光」という用語は、可視光線か否かを問わず、あらゆる波長の電磁放射線をより広義に指すことがあります。^{[ 5 ] [ 6 ]}この意味では、ガンマ線、X線、マイクロ波、電波も光です。そのため、可視光線は一般的に可視光と呼ばれます。^{[ 7 ] [ 8 ]}

光の主要な特性は、強度、伝播方向、周波数または波長スペクトル、偏光である。真空中での速度は、299,792,458  m/s は、自然界の基本定数の一つです。^{[ 9 ]}すべての電磁波は、粒子と波の両方の性質を示します。光子と呼ばれる、質量のない単一の素粒子、つまり光の量子は、特殊な装置で検出できます。干渉などの現象は波として説明されます。日常的な光との相互作用のほとんどは、幾何光学を用いて理解できます。量子光学は現代物理学における重要な研究分野です。

地球上の自然光の主な光源は太陽です。歴史的に、人類にとってもう一つの重要な光源は火であり、古代のキャンプファイヤーから現代の灯油ランプまで、様々な光源が用いられてきました。電灯と電力システムの発達により、電気照明は火の光を事実上置き換えました。

電磁スペクトルと可視光

電磁スペクトル。可視部分が強調表示されています。下のグラフ（可視スペクトル）は、ナノメートル（nm）単位の波長です。

一般的に、電磁放射線（EMR）は波長によって、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線（光として知覚される） 、紫外線、X線、ガンマ線に分類されます。「放射線」という用語には、静電場、磁場、近接場は含まれません。

EMRの挙動は波長に依存します。周波数が高いほど波長は短く、周波数が低いほど波長は長くなります。EMRが単一の原子や分子と相互作用する際の挙動は、それが運ぶ量子あたりのエネルギー量に依存します。

可視光領域の電磁波（EMR）は、分子内の電子励起を引き起こすエネルギーの下限に位置する量子（光子）で構成されており、分子の結合や化学反応に変化をもたらします。可視光スペクトルの下限では、EMRは人間には見えなくなります（赤外線）。これは、光子が人間の網膜にある視覚分子レチナールに永続的な分子変化（構造変化）を引き起こすのに十分な個々のエネルギーを持たなくなるためです。この変化は視覚の引き金となります。

様々な種類の赤外線に敏感な動物が存在します。しかし、量子吸収によるものではありません。ヘビの赤外線感知は、一種の自然界における熱画像化、つまり細胞内の微小な水分が赤外線によって温度上昇するという仕組みを利用しています。この範囲の電磁波は分子振動を引き起こし、加熱効果をもたらすため、これらの動物はそれを感知します。

可視光線の周波数範囲を超えると、紫外線は人間には見えなくなります。これは主に、360nm未満の波長では角膜で吸収され、400nm未満の波長では内水晶体で吸収されるためです。さらに、人間の目の網膜にある桿体細胞と錐体細胞は、非常に短い波長（360nm未満）の紫外線を検知できず、実際には紫外線によって損傷を受けます。レンズを必要としない多くの動物（昆虫やエビなど）は、量子光子吸収メカニズムによって紫外線を検知することができ、これは人間が可視光線を検知するのとほぼ同じ化学的メカニズムです。

様々な情報源によって可視光は420～680nmと狭く定義されています^{[ 10 ] [ 11 ]}から380～800nmと広く定義されています^{[ 12 ] [ 13 ]}。理想的な実験室環境では、人は少なくとも1,050nmまでの赤外線を見ることができます^{[ 14 ]}。子供や若者は310～313nm程度の紫外線の波長を知覚することができます^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

植物の成長は光の色スペクトルによっても影響を受け、このプロセスは光形態形成として知られています。

光の速度

シチリア島フォンダケッリ・ファンティーナのロッカ・イラビッスーの空洞内の太陽光線

真空中の光速は正確に次のように定義される。299,792,458  m/s（約186,282マイル/秒）。SI単位系における光速の固定値は、メートルが光速で定義されていることに由来します。あらゆる形態の電磁波は、真空中においてこれと全く同じ速度で移動し ます。

歴史を通じて、様々な物理学者が光の速度の測定を試みてきました。ガリレオは17世紀に光の速度の測定を試みました。光速度を測定するための初期の実験は、1676年にデンマークの物理学者オーレ・レーマーによって行われました。レーマーは望遠鏡を使用して、木星とその衛星の1つであるイオの動きを観察しました。イオの公転周期の見かけの矛盾に着目し、光が地球の軌道の直径を横切るのに約22分かかると計算しました。^{[ 18 ]}しかし、当時はその大きさはわかっていませんでした。もしレーマーが地球の軌道の直径を知っていたら、彼は速度を次のように計算したでしょう。227,000,000 m  / s。

光速のより正確な測定は、1849年にヨーロッパでイポリット・フィゾーによって行われた^{[ 19 ]。}フィゾーは数キロメートル離れた鏡に光線を向けた。光線が光源から鏡へ、そしてまた元の位置へ戻る途中に、回転する歯車を光線の進路上に置いた。フィゾーは、ある回転速度で光線が歯車の1つの隙間を通過し、戻ってくる際に次の隙間を通過することを発見した。鏡までの距離、歯車の歯の数、そして回転速度が分かっているフィゾーは、光速を次のように計算することができた。313,000,000 m  / s。

レオン・フーコーは回転鏡を使って次の値を得る実験を行った。1862年に2億9800万 m/s ^{[ 19 ]}を記録した。アルバート・A・マイケルソンは1877年から1931年に亡くなるまで光速に関する実験を行った。彼は1926年に改良された回転鏡を用いてフーコーの手法を改良し、カリフォルニア州ウィルソン山からサンアントニオ山までの光の往復時間を測定した。精密な測定の結果、光速は299 796 000  m/s . ^{[ 20 ]}

通常の物質を含む様々な透明物質中の実効光速度は、真空中よりも遅くなります。例えば、水中の光速度は真空中の約4分の3です。

2つの独立した物理学者チームが、光をルビジウム元素のボーズ・アインシュタイン凝縮体に通すことで「完全に停止」させたとされている。1つはマサチューセッツ州ケンブリッジにあるハーバード大学とローランド科学研究所のチーム、もう1つは同じくケンブリッジにあるハーバード・スミソニアン天体物理学センターのチームである。^{[ 21 ]}しかし、これらの実験で光が「停止」するという一般的な説明は、光が原子の励起状態に蓄えられ、その後任意の時間に2回目のレーザーパルスによって刺激されて再放射されることを指しているだけである。光が「停止」している間、光はもはや光ではなくなったのである。

光学

光、そして光と物質の相互作用を研究する学問は光学と呼ばれます。光学は、状況に応じて様々な形態をとります。幾何光学は、目、レンズ、カメラ、光ファイバー、鏡などの理解に適しており、光の波長が相互作用する物体に比べて短い場合に有効です。物理光学は波動特性を取り入れており、回折と干渉を理解するために必要です。量子光学は、個々の光子が物質と相互作用する研究に適用されます。^{[ 22 ] : 33}

表面散乱

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、受け取った光を反射または吸収します。ほとんどの物体は鏡面反射や透過をせず、入射光をある程度散乱させます。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、半透明な物体は光を透過させますが、半透明な物体も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

屈折により、浅い角度から見ると、水に浸したストローは曲がって見え、定規の目盛りは圧縮されて見えます。

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ことです。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の間の角度、 θ ₂は第 2 媒質における光線と表面法線の間の角度、n ₁およびn ₂は屈折率で、真空ではn = 1、透明物質ではn > 1 となります。

光線が真空と他の媒質の境界、あるいは異なる媒質間の境界を横切ると、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（あるいは垂直）していない場合、波長の変化によって光線の方向が変わります。この方向の変化は屈折として知られています。

レンズの屈折特性は、光を制御して像の見かけの大きさを変えるために頻繁に利用されます。拡大鏡、眼鏡、コンタクトレンズ、顕微鏡、屈折望遠鏡などは、こうした制御の例です。

光源

光源は数多くある。ある温度の物体は、黒体放射の特徴的なスペクトルを放射する。単純な熱源としては太陽光があり、これは太陽の彩層が約 6,000  K (5,730  °C、10,340  °F ) で放射する放射線である。太陽放射は、波長単位でプロットすると電磁スペクトルの可視領域でピークに達し、^{[ 24 ]}地表に到達する放射のおよそ 44% が可視光線である。^{[ 25 ]}もう 1 つの例は白熱電球で、白熱電球はエネルギーの約 10% のみを可視光線として放射し、残りを赤外線として放射する。歴史上一般的な熱光源としては炎の中の輝く固体粒子があるが、これも放射の大部分を赤外線として放射し、可視スペクトルではほんの一部しか放射しない。

黒体スペクトルのピークは、人間のように比較的冷たい物体では、波長約10マイクロメートルの深赤外線にあります。温度が上昇するにつれて、ピークは短波長側にシフトし、最初は赤い輝きを放ち、次に白い輝きを放ち、最後にピークがスペクトルの可視領域から紫外線領域へと移行するにつれて青白色に変化します。これらの色は、金属が「赤熱」または「白熱」に加熱されたときに見られます。青白色の熱放射は、恒星以外ではあまり見られません（ガス炎や溶接トーチでよく見られる純青色は、実際には分子発光によるもので、特に425nm付近の波長帯を放射するCHラジカルによるもので、恒星や純粋な熱放射では見られません）。

原子は固有のエネルギーで光を放出・吸収します。これにより、各原子のスペクトルに「輝線」が生成されます。発光は、発光ダイオード、ガス放電灯（ネオンランプやネオンサイン、水銀灯など）、炎（高温ガス自体から発せられる光。例えば、ガス炎中のナトリウムは特徴的な黄色の光を発します）のように、自然発生的に発生します。また、レーザーやマイクロ波メーザーのように、誘導的に発生することもあります。

電子などの自由荷電粒子の減速は可視光線を発生させます。サイクロトロン放射、シンクロトロン放射、制動放射などはすべてこの例です。媒質中を光速よりも速く移動する粒子は、可視光線であるチェレンコフ放射を発生させます。特定の化学物質は化学発光によって可視光線を発生させます。生物においては、このプロセスは生物発光と呼ばれます。例えば、ホタルはこの方法で発光し、水中を航行する船はプランクトンを刺激して光る航跡を作り出します。

特定の物質は、高エネルギー放射線を照射されると発光します。この現象は蛍光と呼ばれます。また、高エネルギー放射線によって励起された後にゆっくりと発光する物質もあります。これはリン光と呼ばれます。リン光性物質は、素粒子を照射することでも励起されます。カソードルミネッセンスはその一例です。このメカニズムは、ブラウン管テレビやコンピューターモニターに利用されています。

色鮮やかな人工照明に照らされた香港

他にも光を生成するメカニズムがいくつかあります。

• エレクトロルミネッセンス
• シンチレーション
• ソノルミネッセンス
• 摩擦発光

光の概念に非常に高エネルギーの光子 (ガンマ線) を含める場合、追加の生成メカニズムには次のものが含まれます。

• 粒子-反粒子消滅
• 放射性崩壊

測定

光は主に2つの単位系で測定されます。放射測定は全波長における光強度の測定であり、測光測定は人間の明るさ知覚の標準化モデルに基づいて波長重み付けされた光を測定します。測光測定は、例えば、人間が使用する 照明を定量化するのに役立ちます。

測光単位は、人間の目が光にどのように反応するかを考慮している点で、ほとんどの物理単位系とは異なります。人間の目の錐体細胞には3種類あり、可視スペクトル全体にわたってそれぞれ異なる反応を示し、累積的な反応は波長約555 nmでピークに達します。そのため、同じ強度（W/m ² ）の可視光を発する2つの光源が、必ずしも同じ明るさに見えるとは限りません。測光単位はこの点を考慮して設計されており、生の強度よりも光の「明るさ」をより正確に表します。測光単位は、発光効率と呼ばれる量によって生の電力と関連しており、屋内外の様々な作業において十分な照明を最適に実現する方法を決定するなどの目的で使用されます。光電セルセンサーによって測定される照度は、必ずしも人間の目で知覚されるものと一致するわけではなく、高価なフィルターがない場合、光電セルや電荷結合素子（CCD）は赤外線、紫外線、またはその両方に反応する傾向があります。

軽い圧力

光は、その進路にある物体に物理的な圧力をかけます。この現象はマクスウェル方程式から推測できますが、光の粒子性、つまり光子が衝突して運動量を移動させることで、より簡単に説明できます。光圧は、光線のパワーを光速cで割った値に等しくなります。 c の大きさのため、日常の物体に対する光圧の影響はごくわずかです。たとえば、1 ミリワットのレーザー ポインターは、照射されている物体に約 3.3ピコニュートンの力を及ぼします。したがって、レーザー ポインターで米国の 1 セント硬貨を持ち上げることはできますが、そのためには約 300 億個の 1 ミリワットのレーザー ポインターが必要になります。^{[ 26 ]}ただし、ナノ電気機械システム(NEMS)などのナノメートル規模のアプリケーションでは、光圧の影響はより重要であり、光圧を利用して NEMS メカニズムを駆動し、集積回路でナノメートル規模の物理スイッチを切り替えることは、研究が活発に行われている分野です。^{[ 27 ]}より大きなスケールでは、光圧によって小惑星の回転速度が上昇する可能性があり、^{[ 28 ]}小惑星の不規則な形状は風車の羽根のように作用します。宇宙船を加速させる太陽帆の開発も研究されています。 ^{[ 29 ] [ 30 ]}   

クルックス放射計の動きはもともと光圧によるものと考えられていたが、この解釈は誤りである。クルックスの特徴的な回転は部分的な真空の結果である。^{[ 31 ]}これをニコルス放射計と混同してはならない。ニコルス放射計では、トルクによって引き起こされる（わずかな）動き（摩擦に抗して完全に回転するには不十分であるが）が光圧によって直接引き起こされる。^{[ 32 ]} 光圧の結果として、アインシュタインは1909年に物質の動きに抵抗する「放射摩擦」の存在を予言した。^{[ 33 ]}彼はこう書いている。「放射はプレートの両面に圧力をかける。プレートが静止している場合、両面に及ぼされる圧力は等しい。しかし、プレートが運動している場合、運動中に前方にある表面（前面）で反射される放射は、背面よりも多くなる。したがって、前面に作用する後方圧力は、背面に作用する圧力よりも大きくなる。したがって、2つの力の結果として、プレートの運動に対抗する力が残り、プレートの速度とともに増加する。この結果を簡潔に「放射摩擦」と呼ぶことにする。」

通常、光の運動量は光の進行方向と一致する。しかし、例えばエバネッセント波では、運動量は伝播方向に対して横方向となる。^{[ 34 ]}

光に関する歴史的理論（年代順）

古代ギリシャとヘレニズム

紀元前5世紀、エンペドクレスは万物は火、空気、土、水の四元素から成り立っていると仮定しました。彼は、女神アフロディーテが四元素から人間の目を創造し、その目に火を灯し、その火が目から輝き出すことで視覚が可能になったと信じていました。もしこれが真実であれば、人は昼間と同じように夜も見えるはずです。そこでエンペドクレスは、目から発せられる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ました。^{[ 35 ]}

紀元前300年頃、ユークリッドは『光学』を著し、光の性質を研究しました。ユークリッドは光が直線的に進むと仮定し、反射の法則を記述し、数学的に研究しました。彼は視覚が眼から発せられる光線の結果であるという考えに疑問を呈しました。目を閉じて夜に目を開けると、なぜすぐに星が見えるのだろうかと問いかけたのです。もし眼から発せられる光線が無限に速く進むのであれば、これは問題ではありません。^{[ 36 ]}

紀元前55年、古代ギリシャの原子論者の考えを継承した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、押し出されると、その方向に空気の隙間を瞬時に駆け抜ける」と記した（『宇宙の性質について』より）。後の粒子理論に類似していたにもかかわらず、ルクレティウスの見解は広く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述べている。^{[ 37 ]}

古代インド

古代インドでは、ヒンドゥー教のサーンキヤ派とヴァイシェーシカ派が紀元後数世紀頃から光に関する理論を展開しました。サーンキヤ派によれば、光は五つの基本的な「微細」元素（タンマートラ）の一つであり、そこから粗大元素が生まれます。これらの元素の原子性については具体的に言及されておらず、実際には連続体とみなされていたようです。^{[ 38 ]} ヴィシュヌ・プラーナでは、太陽光は「太陽の七つの光線」と呼ばれています。^{[ 38 ]}

5世紀のディグナーガや7世紀のダルマキールティといったインドの仏教徒は、ある種の原子論を展開しました。これは、現実が瞬間的な光やエネルギーの閃光である原子実体から構成されているという哲学です。彼らは光をエネルギーと同等の原子実体とみなしました。^{[ 38 ]}

デカルト

ルネ・デカルト（1596–1650）は、光は発光体の機械的性質であると主張し、イブン・アル＝ハイサムとウィテロの「形相」 、そしてロジャー・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年に彼は光の屈折理論を発表したが、この理論では光は密度の高い媒体の方が密度の低い媒体よりも速く伝わると誤って仮定していた。デカルトは音波の挙動との類推によってこの結論に達した。相対速度についてはデカルトは間違っていたが、光が波のように振舞うと仮定し、屈折は異なる媒体における光速によって説明できると結論付けたことは正しかった。

デカルトが機械的なアナロジーを用いた最初の人物というわけではないが、光は発光体と伝達媒体の機械的性質に過ぎないと明言したため、デカルトの光理論は現代の物理光学の始まりとみなされている。^{[ 39 ]}

粒子理論

ピエール・ガッサンディ

原子論者ピエール・ガッサンディ（1592-1655）は光の粒子説を提唱し、これは彼の死後の1660年代に出版された。アイザック・ニュートンは若い頃にガッサンディの研究を学び、デカルトの充満理論よりもガッサンディの見解を好んだ。彼は1675年の「光の仮説」で、光は光源からあらゆる方向に放射される粒子（物質の粒子）で構成されていると述べた。ニュートンが光の波動性に反対した議論の1つは、波は障害物を迂回することが知られているが、光は直線のみで進むというものだった。しかし、彼は光の回折現象（フランチェスコ・グリマルディによって観察されていた）を、光粒子がエーテル中に局所的な波を作り出すことができるという形で説明した。

ニュートンの理論は光の反射を予測するのに使うことができたが、屈折については、光は密度の高い媒体に入ると重力が大きくなるので加速するという誤った仮定によってしか説明できなかった。ニュートンは理論の最終版を1704 年の著書『光学』で発表した。彼の名声により、18 世紀には光の粒子理論が主流となった。光の粒子理論に基づき、ピエール＝シモン・ラプラスは、物体の質量が大きすぎると光がそこから逃げられないと主張するに至った。言い換えれば、それは現在で言うブラックホールになるということである。後に、光の波動理論が光のモデルとして確固たる地位を確立した後、ラプラスは自分の提案を撤回した (すでに説明したように、粒子理論も波動理論も完全に正しいわけではない)。ニュートンの光に関するエッセイの翻訳は、スティーヴン・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、ニュートンによって初めて粒子論を用いて定性的に説明されました。1810年、エティエンヌ＝ルイ・マルスは偏光の粒子論を数学的に構築しました。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をすべて説明することを示しました。当時、偏光は粒子論の証明と考えられていました。

波動理論

ロバート・フック（1635–1703）は色の起源を説明するために「パルス理論」を考案し、1665年の著書『ミクログラフィア』（「観察IX」）の中で光の広がりを水の波の広がりと比較した。1672年、フックは光の振動が伝播方向に対して垂直になる可能性を示唆した。クリスティアーン・ホイヘンス（1629–1695）は1678年に光の波動理論を数学的に解明し、 1690年に著書『光論』で発表した。彼は、光は光エーテルと呼ばれる媒体中の一連の波として全方向に放射されると提唱した。波は重力の影響を受けないため、密度の高い媒体に入ると減速すると考えられていた。^{[ 40 ]}波動理論のもう一人の支持者はレオンハルト・オイラーである。彼は『Nova theoria lucis et colorum』（1746年）の中で、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。

クリスティアーン・ホイヘンス

トーマス・ヤングによる回折を示す水波のスケッチ^{[ 41 ]}

波動理論は、光波が音波のように互いに干渉し合うことを予言した（1800年頃にトーマス・ヤングが指摘したように）。ヤングは数々の回折実験によって、光が波として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要旨』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法則は、不完全なユニゾンの拍子において二つの音符が交互に強弱を生み出すのと同じように、二つの同時発生する波動が互いに協力したり破壊し合ったりする現象から非常に簡単に導き出すことができる。^{[ 44 ]}

彼はまた、異なる色は光の異なる波長によって生じると提唱し、目の中の3色の受容体の観点から色覚を説明した。

1816年、アンドレ＝マリー・アンペールはオーギュスタン＝ジャン・フレネルに、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与えた。^{[ 45 ]}その後、フレネルは独自に光の波動理論を導き出し、1817年に科学アカデミーに提出した。シメオン・ドニ・ポアソンはフレネルのモデルに異議を唱え、常識に反して円形の障害物の後ろの影に明るい点が予測されると主張した。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。ポアソンの異議申し立ては波動理論の新たな証拠となった。^{[ 42 ]：109} 1818年、ヤングはアラゴに手紙を書き、光は音波特性の縦波ではなく横波でなければならないと示唆した。フレネルはこのアイデアを採用し、数学的手法により、縦振動のない光の横波理論で偏光を説明できることを示すことができた。^{[ 42 ] : 115}

波動説の弱点は、音波と同様に光波も伝播するための媒体を必要とすることであった。1678年にホイヘンスが提唱した仮説上の物質「光伝導エーテル」の存在は、19世紀後半のマイケルソン＝モーリーの実験によって強い疑問を投げかけられた。

ニュートンの粒子理論は、密度の高い媒体では光が速く伝わることを示唆していましたが、ホイヘンスらの波動理論は逆のことを示唆していました。当時は、どちらの理論が正しいかを判断できるほど光速度を正確に測定することはできませんでした。初めて十分な精度で光速度を測定した人物は、1850年のレオン・フーコーでした。 ^{[ 46 ]}彼の結果は波動理論を支持するものであり、古典的な粒子理論は最終的に放棄されました（20世紀になって量子論における光子として部分的に再登場しただけです）。

電磁気理論

Z軸に沿って進む直線偏波の電磁波。Eは電場、Bは磁場を表す。

1845年、マイケル・ファラデーは、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、直線偏光の偏光面が回転することを発見しました。この効果は現在ファラデー回転として知られています。 ^{[ 47 ]}これは、光が電磁気学と関連していることを示す最初の証拠でした。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ました。^{[ 47 ]}ファラデーは1847年に、光はエーテルなどの媒体が存在しない場合でも伝播できる高周波電磁振動であると提唱しました。^{[ 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一定速度で空間を移動することを発見しましたが、その速度は以前に測定された光速と偶然同じでした。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「物理的力線について」で初めてこの結果を述べました。1873年には「電気と磁気に関する論文」を出版し、これには電場と磁場の挙動に関する完全な数学的記述が含まれており、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・ヘルツが実験室で電波を発生して検出し、これらの電波が可視光とまったく同じように動作し、反射、屈折、回折、干渉などの特性を示すことを実証することで、マクスウェルの理論を実験的に確認しました。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、電磁画像化、無線通信の直接的な発展につながりました。

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みなされます。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の効果（スペクトル線など）を説明するために必要でした。

量子論

1900年、マックス・プランクは黒体放射を説明しようと試み、光は波であるものの、波のエネルギー増減は周波数に応じた有限量に限られると示唆した。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「どれだけ」を意味する）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」ことを示唆した。1923年、アーサー・ホリー・コンプトンは、低強度X線が電子から散乱した際に見られる波長シフト（いわゆるコンプトン散乱）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）粒子と波動の両方として、また（別の意味で）粒子でも波動でもない現象（これらは実際には野球のボールや海の波のようにマクロな現象である）として描くに至った。しかし、いくつかの近似の下では、光は、ある種類のマクロなメタファー（粒子）に適した数学で記述することも、別の種類のマクロなメタファー（波動）に適した数学で記述することもできる。

電波やコンプトン散乱に関わるX線の場合と同様に、物理学者は電磁波が低周波数では古典的な波動のように振る舞い、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ことに気づいていますが、どちらかの性質を完全に失うことはありません。可視光は周波数の中間に位置し、実験によって波動モデルまたは粒子モデル、あるいはその両方を用いて記述できることが容易に示されます。

1924年から1925年にかけて、サティエンドラ・ナート・ボースは、光が古典粒子とは異なる統計に従うことを示しました。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整数スピン粒子（ボースにちなんでボソンと呼ばれる）全体に一般化しました。光子はスピン1の質量のないボソンです。

1927年、ポール・ディラックは電磁場を量子化した。パスクアル・ジョーダンとウラジミール・フォックはこの過程を一般化し、多体系を量子場の励起として扱えるようにした。これは第二量子化という誤った名称で呼ばれる過程である。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、朝永振一郎らの研究に基づき、量子場を用いた量子電気力学の完全な理論が構築された。

量子光学

ジョン・R・クローダー、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年代にかけて量子論を電磁場に適用し、光検出と光の統計（コヒーレンス度を参照）に対するより詳細な理解を深めた。これにより、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間の変動を扱う概念としてコヒーレント状態が導入され、古典的な描像における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った。1977年、H・ジェフ・キンブルらは、1個の原子が1度に1個の光子を放出することを実証し、光が光子で構成されているというさらに説得力のある証拠となった。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、それまで知られていなかった光の量子状態が発見された。

Qスイッチングとモード同期技術によって生成された短・超短レーザーパルスの開発は、後に超高速過程として知られるようになる研究への道を開いた。固体研究（例えばラマン分光法）への応用が見出され、物質に対する光の機械的力が研究された。後者は、レーザービームを用いて光トラップや光ピンセット内で原子雲や微小な生物学的サンプルを浮遊させ、位置決めすることにつながった。これは、ドップラー冷却やシシュポス冷却とともに、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あった。

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、そして量子論理ゲートの実証が挙げられます。量子論理ゲートは、量子光学と理論計算機科学から派生した量子情報理論において大きな関心を集めています。

地球上の照明に使用

太陽光は、緑植物が主にデンプンの形で糖を生成するためのエネルギーを供給し、それを消化する生物にエネルギーを放出します。この光合成のプロセスは、生物が使用するエネルギーのほぼすべてを供給します。一部の動物種は自ら光を生成します。このプロセスは生物発光と呼ばれます。例えば、ホタルは交尾相手を見つけるために光を利用し、吸血イカは獲物から身を隠すために光を利用します。

参照

• 弾道光子
• 色温度
• フェルマーの原理
• ホイヘンスの原理
• ルミネセンスジャーナル
• 光線- 特に側面から見える光線について
• ライトファンタスティック（テレビシリーズ）
• 軽量ミル
• 光源のリスト
• ルミネセンス：生物学的および化学的ルミネセンスのジャーナル
• 分光法

注記

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外部リンク

• ウィキメディア・コモンズにおける光に関するメディア
• ウィクショナリーにおける光の辞書的定義
• ウィキクォートにおける光に関する引用