自从1789年法国化学家拉瓦锡（Lavoisier）定义了原子一词后，人类一直在努力探索它结构的秘密。所有人都在好奇着，这种单一的粒子是怎么组成了世间万物？原子实在是太小了，以至于人类永远没有办法真正看见它们，但是，无数科学家在这个问题上前仆后继着，用各种精巧的实验作为支撑，不断揭开了神秘原子的面纱。而其中最突出的，莫过于英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）。

光是什么？人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共三百多年的时间。

英国物理学家、数学家和天文学家牛顿以极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期间用三棱镜进行了著名的色散试验，由此发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上。牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：物理光学。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。

荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯则发展了光的波动学说，他在1690年发表的《光论》一书中阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理。他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心。他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此交叉而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象。惠更斯提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理，打破了当时流行的光的微粒学说。

牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。因牛顿在学术界的权威和盛名，“微粒说”一直占据着主导地位。

杨氏双缝干涉实验

英国物理学家托马斯·杨对牛顿的光学理论产生了怀疑，1801年，杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。杨在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。他认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的，虽然这种解释不完全正确，但在波动学说的发展史上有着重要意义。

1811年，苏格兰物理学家布儒斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。

1814年，德国天文学家夫琅和费意外地发现了太阳光谱中的一些重要现象，并在波动学说的基础上导出了从衍射图形求波长的关系式。由此，新的波动学说建立起来了，微粒说开始转向劣势。

麦克斯韦方程组

1845年，关于电磁现象的三个最基本的实验定律：库仑定律（1785年），安培—毕奥—萨伐尔定律（1820年），法拉第定律（1831-1845年）已被总结出来，法拉第的“电力线”和“磁力线”概念已发展成“电磁场概念”。

1855年至1865年，英国物理学家麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、安培—毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，参照流体力学的模型，应用严谨的数学形式总结了前人的工作，提出了位移电流的假说，推广了电流的涵义，将电磁场基本定律归结为四个微分方程，这就是著名的麦克斯韦方程组，它含有的四个微分方程分别为：电荷是如何产生电场的高斯定理；论述了磁单极子的不存在的高斯磁定律；电流和变化的电场是怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律，以及变化的磁场是如何产生电场的法拉第电磁感应定律。

此后，麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，并和洛伦兹力方程共同形成了经典电磁学的完整组合。1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》，这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书，具有划时代的意义。

麦克斯韦根据方程组得出结论，电磁波在真空中的传播速度应为3.11×108m/s，而当时实验测得的光速为3.15×108m/s，两个数值非常接近。麦克斯韦认为这不是一种巧合，它表明光与电磁现象之间有本质的联系。由此他首次提出光在本质上是一种电磁波，这就是光的电磁说。

1887年，德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者都具有波的特性。赫兹在实验中同时也证实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子。

但电磁学存在着巨大缺陷，按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（光速）应该是一个恒量，然而根据经典力学对光速的解释，不同惯性系中的光速不同。光速究竟是否应该遵从相对性原理？电磁学对光速的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾，而正是这一矛盾，导致了人类历史上最伟大的科学家——爱因斯坦的出现。

德国科学家爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论，揭示了时间和空间的本质联系，提出了光量子论，解释了光电现象，揭示了微观客体的波粒二重性，用分子运动论解决布朗运动问题；发现了质能之间的相当性，在理论上为原子能的释放和应用开辟道路。爱因斯坦的相对论与麦克斯韦的电磁学理论完美地结合在一起，从而推动了物理学上的一次意义深远的重大革命。

此后三十年里，随着量子力学的不断发展，越来越多的实验证明了光的电磁学说，争论了三百年的光之谜题终于得到了解答，即光是一种电磁波，具有波粒二象性。跨世纪的争论引出了量子力学的诞生，正是由于无数的科学家们孜孜不倦上下求索，人类才得以慢慢解开光的神秘面纱，并引发了20世纪人类文明辉煌的飞跃。

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