A luz é a radiação eletromagnética dentro de certa porção do espectro eletromagnético. A palavra geralmente se refere à luz visível, que é o espectro visível que é visível para o olho humano e é responsável pelo senso de visão. A luz visível geralmente é definida como tendo comprimentos de onda na faixa de 400-700 nanômetros (nm), ou 4,00 × 10-7 a 7,00 × 10-7 m, entre o infravermelho (com comprimentos de onda mais longos) e o ultravioleta (com comprimentos de onda mais curtos) . Este comprimento de onda significa uma faixa de freqüência de aproximadamente 430-750 terahertz (THz).

A principal fonte de luz na Terra é o Sol. A luz solar fornece a energia que as plantas verdes usam para criar açúcares principalmente na forma de amidos, que liberam energia para os seres vivos que os digerem. Este processo de fotossíntese fornece praticamente toda a energia usada pelos seres vivos. Historicamente, outra fonte importante de luz para humanos foi o fogo, desde fogueiras antigas até lâmpadas modernas de querosene. Com o desenvolvimento de luzes elétricas e sistemas de energia, a iluminação elétrica efetivamente substituiu a luz do fogo. Algumas espécies de animais geram sua própria luz, um processo chamado bioluminescência. Por exemplo, os vaga-lumes usam a luz para localizar companheiros, e os calamares de vampiros usam-no para esconder-se de presas.

As propriedades primárias da luz visível são a intensidade, a direção da propagação, a frequência ou o espectro do comprimento de onda, e a polarização, enquanto a velocidade no vácuo, 299.792.458 metros por segundo, é uma das constantes fundamentais da natureza. A luz visível, como com todos os tipos de radiação eletromagnética (EMR), é experimentada para sempre se mover a esta velocidade no vácuo.

Na física, o termo luz às vezes refere-se a radiação eletromagnética de qualquer comprimento de onda, seja visível ou não. Nesse sentido, raios gama, raios-X, microondas e ondas de rádio também são leves. Como todos os tipos de radiação EM, a luz visível se propaga como ondas. No entanto, a energia transmitida pelas ondas é absorvida em locais únicos da forma como as partículas são absorvidas. A energia absorvida das ondas EM é chamada de fóton, e representa o quanta da luz. Quando uma onda de luz é transformada e absorvida como um fóton, a energia da onda colapsa instantaneamente para um único local, e essa localização é onde o fóton “chega”. Isto é o que é chamado de colapso da função de onda. Essa natureza de luz de duas ondas e de partículas parece-se a dualidade onda-partícula. O estudo da luz, conhecido como óptica, é uma área de pesquisa importante na física moderna.

Espectro eletromagnético e luz visível
Geralmente, a radiação EM, ou EMR (a designação “radiação” exclui campos estáticos elétricos e magnéticos e próximos), é classificada por comprimento de onda em rádio, microondas, infravermelho, a região visível que percebemos como luz, ultravioleta, raios-X e gama raios.

O comportamento da EMR depende do seu comprimento de onda. As frequências mais elevadas têm comprimentos de onda mais curtos, e as frequências mais baixas têm comprimentos de onda mais longos. Quando o EMR interage com átomos e moléculas únicos, seu comportamento depende da quantidade de energia por quantum ele carrega.

EMR na região da luz visível consiste de quanta (chamados fótons) que estão na extremidade inferior das energias que são capazes de causar excitação eletrônica dentro das moléculas, o que leva a mudanças na ligação ou química da molécula. Na parte inferior do espectro de luz visível, o EMR torna-se invisível para os seres humanos (infravermelho) porque seus fótons já não possuem energia individual suficiente para causar uma mudança molecular duradoura (uma mudança na conformação) na molécula visual retinal na retina humana, que A mudança desencadeia a sensação de visão.

Existem animais que são sensíveis a vários tipos de infravermelhos, mas não por meio de absorção quântica. A detecção de infravermelho nas cobras depende de um tipo de imagem térmica natural, na qual pequenos pacotes de água celular são criados em temperatura pela radiação infravermelha. EMR nesta faixa causa vibração molecular e efeitos de aquecimento, como é que esses animais o detectam.

Acima do alcance da luz visível, a luz ultravioleta torna-se invisível para os seres humanos, principalmente porque é absorvida pela córnea abaixo de 360 ​​nanômetros e a lente interna abaixo de 400. Além disso, as hastes e os cones localizados na retina do olho humano não conseguem detectar o mesmo curto (abaixo de 360 ​​nm) de comprimentos de onda ultravioleta e de fato são danificados pelo ultravioleta. Muitos animais com olhos que não requerem lentes (como insetos e camarões) são capazes de detectar ultravioleta, por mecanismos de absorção de fótons quânticos, da mesma maneira química que os humanos detectam a luz visível.

Várias fontes definem a luz visível tão estreitamente quanto 420 a 680 para a amplitude de 380 a 800 nm. Sob condições ideais de laboratório, as pessoas podem ver infravermelho até pelo menos 1050 nm; crianças e jovens adultos podem perceber os comprimentos de onda ultravioleta até cerca de 310 a 313 nm.

O crescimento das plantas também é afetado pelo espectro de cores da luz, um processo conhecido como fotomorfogênese.

Velocidade da luz
A velocidade da luz no vácuo é definida exatamente como 299.792.458 m / s (cerca de 186.282 milhas por segundo). O valor fixo da velocidade da luz em unidades SI resulta do fato de que o medidor agora está definido em termos de velocidade da luz. Todas as formas de radiação eletromagnética se movem exatamente a mesma velocidade no vácuo.

Físicos diferentes tentaram medir a velocidade da luz ao longo da história. Galileu tentou medir a velocidade da luz no século XVII. Um experimento inicial para medir a velocidade da luz foi conduzido por Ole Rømer, um físico dinamarquês, em 1676. Usando um telescópio, Rømer observou os movimentos de Júpiter e uma das suas luas, Io. Observando discrepâncias no período aparente da órbita de Io, ele calculou que a luz leva cerca de 22 minutos para percorrer o diâmetro da órbita da Terra. No entanto, seu tamanho não era conhecido naquele momento. Se Rømer tivesse conhecido o diâmetro da órbita da Terra, ele teria calculado uma velocidade de 227 milhões de m / s.

Outro, mais preciso, a medição da velocidade da luz foi realizada em Europa por Hippolyte Fizeau em 1849. Fizeau dirigiu um feixe de luz em um espelho a vários quilômetros de distância. Uma roda dentada giratória foi colocada no caminho do feixe de luz enquanto viajava da fonte, para o espelho e depois retornou à sua origem. Fizeau descobriu que, com uma certa taxa de rotação, o feixe passaria por um espaço na roda no caminho de saída e a próxima folga no caminho de volta. Conhecendo a distância ao espelho, o número de dentes na roda e a taxa de rotação, Fizeau conseguiu calcular a velocidade da luz como 313,000,000 m / s.

Léon Foucault realizou um experimento que usou espelhos rotativos para obter um valor de 298 milhões de m / s em 1862. Albert A. Michelson realizou experimentos sobre a velocidade da luz de 1877 até sua morte em 1931. Refinou os métodos de Foucault em 1926 usando rotação melhorada espelhos para medir o tempo que levou luz para fazer uma viagem de ida e volta de Mount Wilson para Monte Santo António dentro Califórnia . As medidas precisas renderam uma velocidade de 299,796,000 m / s.

A velocidade efetiva da luz em várias substâncias transparentes contendo matéria ordinária é menor do que no vácuo. Por exemplo, a velocidade da luz na água é cerca de 3/4 daquela no vácuo.

Duas equipes independentes de físicos disseram que levaram a luz para uma “parada completa” passando-a através de um condensado de Bose-Einstein do elemento rubidium, uma equipe em Harvard Universidade e o Rowland Institute for Science em Cambridge , Massachusetts , e o outro no Harvard-Smithsonian Centro para a Astrofísica, também em Cambridge . No entanto, a descrição popular da luz sendo “interrompida” nestes experimentos refere-se apenas à luz que está sendo armazenada nos estados de átomos excitados, depois re-emitida em um momento posterior arbitrário, estimulado por um segundo pulso laser. Durante o tempo em que “parou”, deixou de ser leve.

Óptica
O estudo da luz e a interação da luz e da matéria são chamados de óptica. A observação e estudo de fenômenos ópticos, como arco-íris e aurora boreal, oferecem muitas pistas sobre a natureza da luz.

Refração

Um exemplo de refração da luz. A palha aparece dobrada, por causa da refração da luz à medida que entra no líquido do ar.

A refração é a dobra de raios de luz ao passar por uma superfície entre um material transparente e outro. É descrito pela Lei de Snell:

onde θ1 é o ângulo entre o raio e a superfície normal no primeiro meio, θ2 é o ângulo entre o raio e a superfície normal no segundo meio, e n1 e n2 são os índices de refração, n = 1 no vácuo e n> 1 em uma substância transparente.

Quando um feixe de luz cruza o limite entre um vácuo e outro meio, ou entre dois meios diferentes, o comprimento de onda da luz muda, mas a freqüência permanece constante. Se o feixe de luz não for ortogonal (ou bastante normal) ao limite, a mudança no comprimento de onda resulta em uma mudança na direção do feixe. Essa mudança de direção é conhecida como refração.

A qualidade refrativa das lentes é freqüentemente usada para manipular a luz para alterar o tamanho aparente das imagens. Lupas, óculos, lentes de contato, microscópios e telescópios refratários são exemplos dessa manipulação.

Fontes de luz
Existem muitas fontes de luz. Um corpo a uma determinada temperatura emite um espectro característico de radiação do corpo negro. Uma fonte térmica simples é a luz solar, a radiação emitida pela cromossfera do Sol em cerca de 6.000 kelvins (5.730 graus Celsius, 10.340 graus Fahrenheit) na região visível do espectro eletromagnético quando plotada em unidades de comprimento de onda e aproximadamente 44% da energia solar que atinge o solo é visível. Outro exemplo são as lâmpadas incandescentes, que emitem apenas cerca de 10% de sua energia como luz visível e o restante como infravermelho. Uma fonte de luz térmica comum na história são as partículas sólidas brilhantes em chamas, mas elas também emitem a maior parte de sua radiação no infravermelho, e apenas uma fração no espectro visível.

O pico do espectro do corpo negro está no infravermelho profundo, com cerca de 10 micrometros, para objetos relativamente legais, como os seres humanos. À medida que a temperatura aumenta, o pico muda para comprimentos de onda mais curtos, produzindo primeiro um brilho vermelho, depois um branco e, finalmente, uma cor azul-branca à medida que o pico muda para fora da parte visível do espectro e para o ultravioleta. Estas cores podem ser vistas quando o metal é aquecido para “vermelho quente” ou “quente branco”. A emissão térmica azul-branca não é frequentemente vista, exceto em estrelas (a cor azul-comum comumente vista em uma chama de gás ou a tocha de um soldador é de fato devido a emissões moleculares, principalmente pelos radicais CH (emitindo uma faixa de comprimento de onda em torno de 425 nm, e não é visto em estrelas ou radiação térmica pura).

Os átomos emitem e absorvem luz em energias características. Isso produz “linhas de emissão” no espectro de cada átomo. A emissão pode ser espontânea, como em diodos emissores de luz, lâmpadas de descarga de gás (como lâmpadas de néon e sinais de néon, lâmpadas de vapor de mercúrio, etc.) e chamas (luz do próprio gás quente, por exemplo, sódio em uma chama de gás emite luz amarela característica). A emissão também pode ser estimulada, como no laser ou no microondas.

A desaceleração de uma partícula carregada livre, como um elétron, pode produzir radiação visível: radiação ciclotron, radiação sincrotrona e radiação bremsstrahlung são exemplos disso. As partículas que se deslocam através de um meio mais rápido do que a velocidade da luz nesse meio podem produzir radiação Cherenkov visível. Certos produtos químicos produzem radiação visível por quimioluminiscência. Nos seres vivos, esse processo é chamado de bioluminescência. Por exemplo, os vaga-lumes produzem luz por este meio, e os barcos que se deslocam pela água podem perturbar o plâncton que produz uma vigília brilhante.

Certas substâncias produzem luz quando são iluminadas por uma radiação mais enérgica, um processo conhecido como fluorescência. Algumas substâncias emitem luz lentamente após a excitação por radiação mais energética. Isso é conhecido como fosforescência. Os materiais fosforescentes também podem ser excitados bombardeando-os com partículas subatômicas. A catodoluminescência é um exemplo. Este mecanismo é usado em aparelhos de televisão de tubos catódicos e monitores de computador.

Alguns outros mecanismos podem produzir luz:

Bioluminescência
Radiação Cherenkov
Electroluminescência
Cintilação
Sonoluminescência
Triboluminescência

Quando o conceito de luz se destina a incluir fotões de alta energia (raios gama), mecanismos de geração adicionais incluem:

Aniquilação de partículas e antipartículas
Decaimento radioativo

Pressão leve
A luz exerce pressão física sobre os objetos em seu caminho, um fenômeno que pode ser deduzido pelas equações de Maxwell, mas pode ser mais facilmente explicado pela natureza da partícula da luz: os fótons atingem e transferem seu impulso. A pressão leve é ​​igual ao poder do feixe de luz dividido por c, a velocidade da luz. Devido à magnitude de c, o efeito da pressão leve é ​​insignificante para objetos do cotidiano. Por exemplo, um ponteiro a laser de um mililitro exerce uma força de aproximadamente 3,3 piconewtons no objeto que está sendo iluminado; assim, pode-se levantar um centavo americano com ponteiros laser, mas, assim, exigiria cerca de 30 bilhões de ponteiros laser de 1 mW. No entanto, em aplicações de escala nanométrica, como os sistemas nanoelectromecânicos (NEMS), o efeito da pressão leve é ​​mais significativo, e a exploração da pressão leve para direcionar mecanismos NEMS e para alternar switches físicos de escala nanométrica em circuitos integrados é uma área de pesquisa ativa . Em escalas maiores, a pressão leve pode fazer com que os asteróides giram mais rápido, agindo em suas formas irregulares como nas palhetas de um moinho de vento. A possibilidade de fazer velas solares que acelerariam as naves espaciais no espaço também está sendo investigada.

Embora o movimento do radiômetro de Crookes tenha sido originalmente atribuído a uma leve pressão, essa interpretação é incorreta; a rotação característica de Crookes é o resultado de um vácuo parcial. Isso não deve ser confundido com o radiômetro Nichols, no qual o (leve) movimento causado pelo torque (embora não seja suficiente para rotação total contra fricção) é causado diretamente pela pressão leve. Como conseqüência da leve pressão, Einstein, em 1909, previu a existência de “fricção por radiação” que se oporia ao movimento da matéria. Ele escreveu: “a radiação exercerá pressão em ambos os lados da placa. As forças de pressão exercidas nos dois lados são iguais se a placa estiver em repouso. No entanto, se estiver em movimento, mais radiação será refletida na superfície que está em frente durante o movimento (superfície frontal) do que na superfície traseira. A força de pressão inversa exercida na superfície frontal é, portanto, maior do que a força de pressão que atua na parte traseira. Assim, como resultado das duas forças, permanece uma força que neutraliza o movimento da placa e que aumenta com a velocidade da placa. Nós chamaremos esse resultado de “fricção de radiação” em breve. ”

Teorias históricas sobre a luz, em ordem cronológica
No século V aC, Empédocles postulou que tudo estava composto de quatro elementos; fogo, ar, terra e água. Ele acreditava que Afrodite fazia o olho humano dos quatro elementos e que acendia o fogo nos olhos que brilhavam do olho, tornando possível a visão. Se isso fosse verdade, então, pode-se ver durante a noite tão bem como durante o dia, então Empedocles postulou uma interação entre raios dos olhos e raios de uma fonte, como o sol.

Em cerca de 300 aC, Euclides escreveu Optica, onde estudou as propriedades da luz. Euclides postulou que a luz viajava em linhas retas e descreveu as leis da reflexão e as estudava matematicamente. Ele questionou que a visão é o resultado de um feixe do olho, pois ele pergunta como alguém vê as estrelas imediatamente, se alguém fechar os olhos, então as abre à noite. Se o feixe do olho viaja infinitamente rápido, isso não é um problema.

Em 55 aC, Lucrecio, um romano que seguiu as idéias de atomistas gregos anteriores, escreveu que “A luz e o calor do sol, que são compostos de átomos diminutos que, quando são empurrados, não perdem tempo em disparar em frente o espaço intermedio do ar na direção transmitida pelo impulso “. (da natureza do universo). Apesar de serem semelhantes às teorias de partículas posteriores, as opiniões de Lucrecio não foram geralmente aceitas. Ptolomeu (século II) escreveu sobre a refração da luz em seu livro Optics.

Clássico Índia
Em antigo Índia , as escolas hindus de Samkhya e Vaisheshika, em torno dos primeiros séculos do século DC, desenvolveram teorias sobre a luz. De acordo com a escola de Samkhya, a luz é um dos cinco elementos “sutis” fundamentais (tanmatra) dos quais emergem os elementos brutos. A atomicidade desses elementos não é especificamente mencionada e parece que eles realmente foram levados a ser contínuos. Por outro lado, a escola Vaisheshika dá uma teoria atômica do mundo físico no solo não atômico do éter, do espaço e do tempo. Os átomos básicos são os da terra (prthivi), água (pani), fogo (agni) e ar (vayu) Os raios de luz são considerados um fluxo de alta velocidade de átomos de tejas (fogo). As partículas de luz podem exibir características diferentes dependendo da velocidade e dos arranjos dos átomos de tejas. O Vishnu Purana refere-se à luz solar como “os sete raios do sol”.

Os budistas indianos, como Dignāga no século V e Dharmakirti no século 7, desenvolveram um tipo de atomismo que é uma filosofia sobre a realidade sendo composta de entidades atômicas que são flashes momentâneos de luz ou energia. Eles consideravam a luz como uma entidade atômica equivalente à energia.

Descartes
René Descartes (1596-1650) considerou que a luz era uma propriedade mecânica do corpo luminoso, rejeitando as “formas” de Ibn al-Haytham e Witelo, bem como as “espécies” de Bacon, Grosseteste e Kepler. Em 1637, ele publicou uma teoria da refração da luz que assumiu, incorretamente, que a luz viajava mais rápido em um meio mais denso do que em um meio menos denso. Descartes chegou a esta conclusão por analogia com o comportamento das ondas sonoras. Embora Descartes estivesse incorreto sobre as velocidades relativas, ele estava correto ao assumir que a luz se comportasse como uma onda e ao concluir que a refração poderia ser explicada pela velocidade da luz em diferentes mídias.

Descartes não é o primeiro a usar as analogias mecânicas, mas porque ele afirma claramente que a luz é apenas uma propriedade mecânica do corpo luminoso e do meio transmissor, a teoria da luz de Descartes é considerada como o início da ótica física moderna.

Teoria das partículas
Pierre Gassendi (1592-1655), um atomista, propôs uma teoria das partículas da luz que foi publicada póstuma na década de 1660. Isaac Newton estudou o trabalho de Gassendi em uma idade adiantada, e preferiu sua opinião à teoria de Descartes do plenum. Ele afirmou em sua Hipótese de Luz de 1675 que a luz era composta de corpúsculos (partículas de matéria) que eram emitidos em todas as direções a partir de uma fonte. Um de Newton Os argumentos de S contra a natureza ondulante da luz eram que as ondas eram conhecidas por se curvar em torno de obstáculos, enquanto a luz viajava apenas em linhas retas. No entanto, ele explicou o fenômeno da difração da luz (que foi observado por Francesco Grimaldi) ao permitir que uma partícula leve pudesse criar uma onda localizada no éter.

Newton A teoria de S. poderia ser usada para prever o reflexo da luz, mas só poderia explicar a refração assumindo incorretamente que a luz acelerava ao entrar em um meio mais denso porque a atração gravitacional era maior. Newton publicou a versão final de sua teoria em seus Opticks de 1704. Sua reputação ajudou a teoria das partículas da luz a dominar durante o século 18. A teoria das partículas da luz levou Laplace para argumentar que um corpo poderia ser tão maciço que a luz não poderia escapar disso. Em outras palavras, isso se tornaria o que agora é chamado de buraco negro. Laplace retirou sua sugestão mais tarde, depois que uma teoria da onda da luz se estabeleceu firmemente como o modelo da luz (como foi explicado, nem uma partícula ou a teoria das ondas está totalmente correta). Uma tradução de Newton O ensaio sobre luz aparece na estrutura em grande escala do espaço-tempo, de Stephen Hawking e George FR Ellis.

O fato de que a luz poderia ser polarizada foi pela primeira vez qualitativamente explicado por Newton usando a teoria das partículas. Étienne-Louis Malus em 1810 criou uma teoria das partículas matemáticas da polarização. Jean-Baptiste Biot em 1812 mostrou que esta teoria explicava todos os fenômenos conhecidos da polarização da luz. Naquela época, a polarização era considerada como a prova da teoria das partículas.

Teoria das ondas
Para explicar a origem das cores, Robert Hooke (1635-1703) desenvolveu uma “teoria do pulso” e comparou a propagação da luz com a das ondas na água em sua Micrographia de 1665 (“Observação IX”). Em 1672, Hooke sugeriu que as vibrações da luz poderiam ser perpendiculares à direção da propagação. Christiaan Huygens (1629-1695) elaborou uma teoria da onda matemática em 1678 e publicou-a em seu Tratado sobre a luz em 1690. Propôs que a luz fosse emitida em todas as direções como uma série de ondas em um meio chamado de éter Luminífero . Como as ondas não são afetadas pela gravidade, presumiu-se que elas diminuíram ao entrar em um meio mais denso.

Christiaan Huygens.
A teoria das ondas previu que as ondas de luz poderiam interferir umas com as outras, como as ondas sonoras (como observado em 1800 por Thomas Young). Jovens mostraram por meio de um experimento de difracção que a luz se comportou como ondas. Ele também propôs que diferentes cores foram causadas por diferentes comprimentos de onda da luz e explicaram a visão de cor em termos de receptores de três cores no olho. Outro apoiador da teoria das ondas foi Leonhard Euler. Ele argumentou em Nova theoria lucis et colorum (1746) que a difração poderia ser mais facilmente explicada por uma teoria das ondas. Em 1816, André-Marie Ampère deu a Augustin-Jean Fresnel uma ideia de que a polarização da luz pode ser explicada pela teoria das ondas se a luz fosse uma onda transversal.

Mais tarde, Fresnel elaborou sua própria teoria da luz da onda e apresentou-a à Académie des Sciences em 1817. Siméon Denis Poisson adicionou ao trabalho matemático de Fresnel para produzir um argumento convincente em favor da teoria da onda, ajudando a derrubar Newton teoria corpuscular. Ao ano de 1821, Fresnel pôde mostrar através de métodos matemáticos que a polarização poderia ser explicada pela teoria das ondas da luz e somente se a luz fosse inteiramente transversal, sem vibração longitudinal.

A fraqueza da teoria da onda era que as ondas de luz, como as ondas sonoras, precisariam de um meio para transmissão. A existência da substância hipotética éter luminífero proposto por Huygens em 1678 foi lançada em fortes duvidas no final do século XIX pelo experimento Michelson-Morley.

Newton A teoria corpuscular implicava que a luz viajaria mais rápido em um meio mais denso, enquanto a teoria da onda de Huygens e outros implicava o oposto. Naquela época, a velocidade da luz não podia ser medida com precisão para decidir qual teoria estava correta. O primeiro a fazer uma medida suficientemente precisa foi Léon Foucault, em 1850. Seu resultado apoiou a teoria da onda, e a teoria clássica das partículas foi finalmente abandonada, apenas para ressurgir em parte no século XX.

Teoria eletromagnética

Uma renderização tridimensional de onda de luz polarizada linearmente congelada no tempo e mostrando os dois componentes oscilantes da luz; um campo elétrico e um campo magnético perpendicular um ao outro e à direção do movimento (uma onda transversal).
Em 1845, Michael Faraday descobriu que o plano de polarização da luz polarizada linearmente é girado quando os raios de luz viajam ao longo da direção do campo magnético na presença de um dielétrico transparente, um efeito agora conhecido como rotação de Faraday. Esta foi a primeira evidência de que a luz estava relacionada ao eletromagnetismo. Em 1846, ele especulou que a luz pode ser uma forma de perturbação que se propaga ao longo de linhas de campo magnético. Faraday propôs em 1847 que a luz era uma vibração eletromagnética de alta freqüência, que poderia se propagar mesmo na ausência de um meio como o éter.

O trabalho de Faraday inspirou James Clerk Maxwell a estudar radiação e luz eletromagnética. Maxwell descobriu que as ondas eletromagnéticas de auto-propagação viajariam através do espaço a uma velocidade constante, o que era igual à velocidade de luz previamente medida. Com isso, Maxwell concluiu que a luz era uma forma de radiação eletromagnética: ele primeiro declarou esse resultado em 1862 em On Physical Lines of Force. Em 1873, ele publicou um tratado sobre eletricidade e magnetismo, que continha uma descrição matemática completa do comportamento de campos elétricos e magnéticos, ainda conhecidos como equações de Maxwell. Logo depois, Heinrich Hertz confirmou a teoria de Maxwell experimentalmente gerando e detectando ondas de rádio no laboratório, e demonstrando que essas ondas se comportaram exatamente como a luz visível, exibindo propriedades como reflexão, refracção, difracção e interferência. A teoria de Maxwell e os experimentos de Hertz levaram diretamente ao desenvolvimento de rádio, radar, televisão, imagens eletromagnéticas e comunicações sem fio modernas.

Na teoria quântica, os fótons são vistos como pacotes de onda das ondas descritas na teoria clássica de Maxwell. A teoria quântica era necessária para explicar os efeitos, mesmo com a luz visual que a teoria clássica de Maxwell não podia (como linhas espectrais).

Teoria quântica
Em 1900, Max Planck, tentando explicar a radiação do corpo negro, sugeriu que, embora a luz fosse uma onda, essas ondas poderiam ganhar ou perder energia apenas em quantidades finitas relacionadas à sua freqüência. Planck chamou esses “pedaços” de energia de luz “quanta” (de uma palavra latina para “quanto”). Em 1905, Albert Einstein usou a idéia de quanta de luz para explicar o efeito fotoelétrico e sugeriu que esses quanta de luz tinham uma existência “real”. Em 1923, Arthur Holly Compton mostrou que o deslocamento de comprimento de onda visto quando os raios X de baixa intensidade espalhados por elétrons (a chamada de dispersão de Compton) poderiam ser explicados por uma teoria de partículas de raios-X, mas não uma teoria das ondas. Em 1926, Gilbert N. Lewis chamou esses fotões de partículas quantais quanta.

Eventualmente, a teoria moderna da mecânica quântica veio a imagem da luz como (em algum sentido) uma partícula e uma onda, e (em outro sentido), como um fenômeno que não é nem uma partícula nem uma onda (que na verdade são fenômenos macroscópicos, tais como como baseballs ou ondas oceânicas). Em vez disso, a física moderna vê a luz como algo que pode ser descrito às vezes com matemática apropriada para um tipo de metáfora macroscópica (partículas), e às vezes outra metáfora macroscópica (ondas de água), mas é realmente algo que não pode ser totalmente imaginado. Como no caso das ondas de rádio e dos raios X envolvidos na dispersão de Compton, os físicos observaram que a radiação eletromagnética tende a se comportar mais como uma onda clássica em freqüências mais baixas, mas mais como uma partícula clássica em freqüências mais altas, mas nunca perde completamente qualidades de um ou outro. A luz visível, que ocupa um meio termo em freqüência, pode ser facilmente mostrada em experimentos para serem descritas usando um modelo de onda ou partículas, ou às vezes ambos.

Em fevereiro de 2018, os cientistas relataram, pela primeira vez, a descoberta de uma nova forma de luz, que pode envolver polaritons, que poderia ser útil no desenvolvimento de computadores quânticos.