为什么能通过光看到物体？
每天从早晨起床到晚上就寝，我们都会看到不同的物体。通过光，我们可以看到周围发生的一切。我们可以欣赏书上的插图、计算机上旋转的图形、壮观的日出、蓝色的天空、流星和彩虹。我们也可以利用镜子看到自己，也可以利用镜子使宝石熠熠生辉。但是你可曾想过，当我们看物体时，其实并不能直接看到它。实际上，我们所看到的是光，它能够从远处或近处的物体上反射到我们的眼睛里。光才是我们的眼睛实际看到的东西。
你可能听过两种探讨光的方式。
☆ 波理论，即“光波”理论。
☆ 粒子理论，从某种程度上可以称为“光子”理论。
光是能量的一种形式。现代物理学认为，光能具有波粒二象性；但同时也承认，这两种观点都把复杂的光传播简单化了。
形成波
为了理解光波，让我们首先来看另一种更为熟悉的波——在水中见到的波。水波并非由水组成，记住这一点非常重要，它是由在水面上传播的能量组成的。如果水波从游泳池的左侧传导到右侧，并不意味着游泳池的水从左侧运动到了右侧。实际上，水仍然停留在原地，发生运动的是波。如果你用手搅动盛满水的浴缸，就会制造出波，因为你在搅动时将能量注入到了水中。能量在水中以波的形式传播。
所有的波都是正在传播中的能量，它们通常通过某种介质比如水进行传播。水波是由从适当角度向着波的方向上下振动的水分子组成。
棱镜光折射示意图
光波更为简单一些，它们不需要传播介质，可以在真空中进行传播。光波是由以电场和磁场形式存在的能量形成的。这些场从适当的角度向着波运动的方向和彼此运动的方向上下振动。由于光同时包含了电场和磁场，因此光也被称为“电磁辐射”。
光波的长短不一。光波的长短即“波长”，是指连续传播的光上任意两个对应点之间的距离，通常是相邻两个波峰或波谷之间的距离。可见光的波长范围是1.4～2.5皮米。但是，电磁辐射的波长范围是1纳米（如伽马射线）到几厘米或几米（如无线电波）。可见光是光波的一小部分。
光波的频率不一。频率是指在任何时间间隔通常是一秒内，通过空间中某一点的波的数量。频率的计量单位是周/秒或Hz。可见光的频率即色彩范围是4.3×1014Hz（红色光）～7.5×1014Hz（紫色光）。同样的道理，光波的整个频率范围要大于可见光的频率范围，即小于10亿Hz（如无线电波）到大于3×1018Hz（如伽马射线）。
光波中的能量与频率成正比：频率越高，能量越多；频率越低，能量越少。因此，伽马射线的能量最多，而无线电波的最少。在可见光中，紫色光的能量最多，而红色光最少。
知识档案
折射有一个很有意思的地方：不同频率的光发生弯曲时，角度会略有不同。当紫色光和红色光同时穿过棱镜时，你可以做个比较。由于紫色光的能量更高，它与玻璃发生作用的时间也就更长。因此，它的速度比红色光减慢得更多，弯曲的角度也更大。这一现象可以解释我们看到的彩虹中颜色的排列顺序，也可以解释是什么使钻石的边缘具有了如此赏心悦目的七色光。
光不仅频率不同，而且传播速度也不同。光波通过真空时的速度最快，可达到30万千米/秒，光是宇宙中速度最快的物质。当光波从物质如空气、水、玻璃或金刚石中穿过时，速度就会变慢。了解不同的物质对光速的影响，是理解光的弯曲即折射的关键。
形成粒子
在粒子理论中，光是一种由原子释放的能量形式。光由许多微小的类似粒子的小团组成，它们有能量和动量，但没有质量。这些粒子被称为“可见光子”，是光的基本组成单位。
形成光源示意图
电磁光谱示意图
当原子的电子被激发时，原子就会释放出可见光子。电子是绕着原子核（包含一个净正电荷）转动的负电粒子。根据电子的速度和电子与原子核的距离的不同，电子的能量也有所不同。电子的能量不同，所处的轨道也不同。总体而言，能量大的电子在距离原子核较远的轨道上运动。
原子能量的增减会通过电子的运动体现出来。当某种物质（如热量）把能量传递给原子时，电子可能会短暂地进入一个较高的轨道（距离原子核较远的轨道）。电子在这个位置上只会停留片刻，几乎是瞬间的工夫，电子就会被向着原子核的方向拉回原来的运动轨道。返回原来的运动轨道后，电子就把多余的能量以光子（有时是可见光子）的形式释放出来。
这是几乎所有光源的基本原理。光源之间存在的主要区别是激发原子的过程有所不同。对于白炽光源如普通灯泡或煤气灯，原子由热量激发；而在荧光棒中，原子则通过化学反应来激发。
光的波长取决于释放出的能量的多少，而能量释放的多少则要看电子所处的具体位置。不同类型的原子会释放出不同种类的可见光子。换句话说就是，光的颜色是由被激发原子的类型决定的。
形成颜色
可见光是可以被我们眼睛看到的光。当你观察太阳的可见光时，你感觉它是无色的或者说是白色的。尽管我们看到了这种颜色，但可见光的光谱中却没有把它包含在内。这是因为白色光并不是一种单色光或单一的频率，它是由许多有色光组成的。当阳光穿过一杯水落到墙面上，墙上就会出现一道彩虹。牛顿是第一个对这一现象进行论证的人。牛顿把一块玻璃棱镜放在阳光下，将太阳光分离，形成彩虹的光谱。然后，他让阳光通过第二个玻璃棱镜，将两个彩虹组合起来，得到的就是白色光。这个实验足以证明白色光是多种光的混合物，或者说是不同频率的光的混合物。把可见光光谱中的所有光结合在一起，就会形成无色或白色的光。
另一种形成颜色的方法是吸收部分频率的光，也就是把它们从白色光中去除。被吸收的颜色不会被我们看到，我们看到的只是反射到我们眼睛中的颜色。油漆和染料起到的就是这种作用。油漆或染料分子吸收了某些频率的光，而把另一些频率的光反射到我们的眼睛中。这种（或这些）反射回来的光就是我们所看到的物体的颜色。举例来说，绿色植物的叶子中含有色素即叶绿素，它能吸收光谱中的蓝色光和红色光，反射绿色光。
肥皂泡中的彩虹
你可曾想过，为什么肥皂泡会呈现彩虹，为什么湿路上的油印也会呈现彩虹？当光波通过有两个反射面的物体时，就会出现彩虹。当两个相同频率的光波碰到肥皂泡薄薄的外壁时，部分光波会被肥皂泡顶部的表面反射，而另一部分的光波则穿过薄膜，被底部反射回来。由于穿过薄膜的那部分光波与薄膜接触的时间更长，它们被反射回来的时间与被顶部反射回来的光波就会不同步。物理学家把这种状态称为“异相”。当两组光波到达眼睛中的感光细胞时，它们彼此作用。此时，光波彼此叠加或相互抵消，从而形成一种不同频率（颜色）的光波。上述过程发生的条件是，两个反射面必须是分离的光波的一部分。这也就是为什么你从薄膜上看到的彩虹很像水面上的泡沫或油沫。
当白色光，即多种有色光的混合光，照射到有两个反射面的薄膜上，各种被反射的光波彼此作用，形成彩虹边缘。当你改变观察角度，边缘的颜色也会发生变化，这是因为你改变了光波进入你眼睛的路径。如果你放低观察角度，光波要进入你的眼睛就必须通过更多的薄膜。这样，会发生更多的干扰。
因此，我们可以通过两个基本途径看到颜色。一种是物体能直接发出与所看到的颜色频率一致的那种光，或者物体能吸收其他所有频率的光，而只把与所看到的颜色频率一致的那种光（或光的组合）反射到我们的眼睛中。举例来说，我们看到的物体是黄色的，可能是该物体能直接发出黄色频率的光波；也可能它吸收了光谱中的蓝色光，而把红色光和绿色光反射到我们的眼睛中，这两种频率的光就会组合形成黄色。
折射使吸管看起来是弯的。它实际上并没有偏转方向——光线在穿过水时偏转方向了。
当光碰到物体
当光波碰到物体，会发生什么状况要看光波的能量、电子在该物体中振动的自然频率，以及物体的原子对其电子施加的作用力。根据这些因素，当光碰到物体时，会发生以下4种情况。
☆ 光波可能会毫无变化地穿过物体。
☆ 光波可能被物体吸收。
☆ 光波可能被物体反射或散射。
☆ 光波在穿过物体时发生折射。
上述情况有时可能不止发生一次。
我们看到的一切东西都是自然界中光的结果，而且也受它的影响。光是一种以波的形式传播的能量。我们的眼睛只能看到可见光。了解了光自身所具有的复杂属性，我们就会明白颜色的来源、光传播的方式以及光遇到不同的物体会发生怎样的变化。