
Il termine luce (dal latino "lux") si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d'onda, ossia tra 790 e di frequenza. Questo intervallo coincide con il centro della regione spettrale della luce emessa dal Sole che riesce ad arrivare al suolo attraverso l'atmosfera. I limiti dello spettro visibile all'occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente e possono raggiungere i 720 nanometri, avvicinandosi agli infrarossi, e i 380 nanometri avvicinandosi agli ultravioletti. La presenza contemporanea di tutte le lunghezze d'onda visibili, in quantità proporzionali a quelle della luce solare, forma la "luce bianca".
La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni che più comunemente influenzano o impediscono la trasmissione della luce attraverso la materia sono: l'assorbimento, la diffusione ("scattering"), la riflessione speculare o diffusa, la rifrazione e la diffrazione. La riflessione diffusa da parte delle superfici, da sola o combinata con l'assorbimento, è il principale meccanismo attraverso il quale gli oggetti si rivelano ai nostri occhi, mentre la diffusione da parte dell'atmosfera è responsabile della luminosità del cielo.
Sebbene nell'elettromagnetismo classico la luce sia descritta come un'onda, l'avvento della meccanica quantistica agli inizi del XX secolo ha permesso di capire che questa possiede anche proprietà tipiche delle particelle e di spiegare fenomeni come l'effetto fotoelettrico. Nella fisica moderna la luce (e tutta la radiazione elettromagnetica) viene composta da quanti, unità fondamentali di campo elettromagnetico chiamate anche fotoni.
Formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce veniva vista come composta da piccole particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni. Oltre che essere matematicamente molto più semplice della teoria ondulatoria, questa teoria spiegava molto facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all'epoca di Newton.
Innanzitutto la meccanica galileiana prevede, correttamente, che le particelle (inclusi i corpuscoli di luce) si propaghino in linea retta ed il fatto che questi fossero previsti essere molto leggeri era coerente con una velocità della luce alta ma non infinita. Anche il fenomeno della riflessione poteva essere spiegato in maniera semplice tramite l'urto elastico della particella di luce sulla superficie riflettente.
La spiegazione della rifrazione era leggermente più complicata ma tutt'altro che impossibile: bastava infatti pensare che le particelle incidenti sul materiale rifrangente subissero, ad opera di questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne aumentassero la velocità, cambiandone la traiettoria e avvicinandola alla direzione normale alla superficie.
I colori dell'arcobaleno venivano spiegati tramite l'introduzione di un gran numero di corpuscoli di luce diversi (uno per ogni colore) ed il bianco era pensato come formato da tante di queste particelle. La separazione dei colori ad opera, ad esempio, di un prisma poneva qualche problema teorico in più perché le particelle di luce dovrebbero avere proprietà identiche nel vuoto ma diverse all'interno della materia.
Formulata da Christiaan Huygens nel 1678, ma pubblicata solo nel 1690 nel "Traité de la Lumière", la luce veniva vista come un'onda che si propaga in un mezzo, chiamato etere, in maniera del tutto simile alle onde del mare o a quelle acustiche. Si supponeva che l'etere pervadesse tutto l'universo e fosse formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare numerosi fenomeni: oltre alla riflessione ed alla rifrazione, Huygens riuscì infatti a spiegare anche il fenomeno della birifrangenza nei cristalli di calcite.
Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione (osservata per la prima volta da Francesco Maria Grimaldi nel 1665) e dell'interferenza fossero interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dalla teoria corpuscolare. Agli stessi risultati arrivò Augustin-Jean Fresnel nel 1815. Nel 1814 Joseph von Fraunhofer fu il primo ad investigare seriamente sulle righe di assorbimento nello spettro del Sole, che vennero esaurientemente spiegate da Kirchhoff e da Bunsen nel 1859, con l'invenzione dello spettroscopio. Le righe sono ancora oggi chiamate linee di Fraunhofer in suo onore.
Il fatto che le onde siano capaci di aggirare gli ostacoli mentre la luce si propaga in linea retta (questa proprietà era già stata notata da Euclide nel suo "Optica") può essere facilmente spiegato assumendo che la luce abbia una lunghezza d'onda microscopica.
Al contrario della teoria corpuscolare, quella ondulatoria prevede che la luce si propaghi più lentamente all'interno di un mezzo che nel vuoto.
Per la grandissima maggioranza delle applicazioni questa teoria è ancora utilizzata al giorno d'oggi.
Proposta da James Clerk Maxwell alla fine del XIX secolo, sostiene che le onde luminose sono elettromagnetiche. La luce visibile è solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico. Con la formulazione delle equazioni di Maxwell vennero completamente unificati i fenomeni elettrici, magnetici ed ottici. Per Maxwell, tuttavia, era ancora necessario un mezzo di diffusione dell'onda elettromagnetica, ossia l'etere. Solo più tardi si negò l'etere e si scoprì che la luce può propagarsi anche nel vuoto.
Per risolvere alcuni problemi sulla trattazione della radiazione emessa da corpo nero, Max Planck ideò nel 1900 un artificio matematico: pensò che l'energia associata ad un'onda elettromagnetica non fosse proporzionale al quadrato della sua ampiezza (come nel caso delle onde elastiche in meccanica classica), bensì inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda, e che la sua costante di proporzionalità fosse discreta e non continua. 
L'interpretazione successiva che Albert Einstein diede dell'effetto fotoelettrico, indirizzò verso una nuova strada. Si cominciò a pensare che quello di Planck non fosse un mero artificio matematico, ma l'interpretazione di una nuova struttura fisica; cioè che la natura della luce potesse avere un qualche rapporto con una forma discreta di alcune sue proprietà. Si cominciò a parlare di pacchetti discreti d'energia, oggi chiamati fotoni.
La luce si propaga a una velocità finita. Anche gli osservatori in movimento misurano sempre lo stesso valore di "c", la velocità della luce nel vuoto, dove "c" = 299 792 458 m/s che viene approssimato in "c" = 300 000 000 m/s, mentre viaggia nell'acqua a circa 225 407 863 m/s e nel vetro a 185 057 072 m/s.
La velocità della luce è stata misurata molte volte da numerosi fisici. Il primo tentativo di misura venne compiuto da Galileo Galilei con l'ausilio di lampade oscurabili ma la rudimentalità dei mezzi disponibili non permise di ottenere alcun valore. La migliore tra le prime misurazioni venne eseguita da Olaus Roemer (un fisico danese), nel 1675. Egli sviluppò un metodo di misurazione, osservando Giove e una delle sue lune con un telescopio. Grazie al fatto che la luna veniva eclissata da Giove a intervalli regolari, calcolò il periodo di rivoluzione della luna in 42,5 ore, quando la Terra era vicina a Giove. Il fatto che il periodo di rivoluzione si allungasse quando la distanza tra Giove e Terra aumentava, poteva essere spiegato assumendo che la luce impiegava più tempo a coprire la distanza Giove-Terra, ipotizzando quindi, una velocità finita per essa. La velocità della luce venne calcolata analizzando la distanza tra i due pianeti in tempi differenti. Roemer calcolò una velocità di 227 326 km/s.
Albert A. Michelson migliorò il lavoro di Roemer nel 1926. Usando uno specchio rotante, misurò il tempo impiegato dalla luce per percorrere il viaggio di andata e ritorno dal monte Wilson al monte Sant'Antonio in California. La misura precisa portò a una velocità di 299 702 km/s.
Questo esperimento in realtà misurò la velocità della luce nell'aria. Infatti, quando la luce passa attraverso una sostanza trasparente, come l'aria, l'acqua o il vetro, la sua velocità "c" si riduce a "v = c/n" (dove "n" è il valore dell'indice di rifrazione del mezzo) ed è sottoposta a rifrazione. In altre parole, "n" = 1 nel vuoto e "n" > 1 nella materia. L'indice di rifrazione dell'aria di fatto è molto vicino a 1, e in effetti la misura di Michelson è un'ottima approssimazione di "c."
L'ottica è lo studio della luce e dell'interazione tra la luce e materia. 
L'osservazione e lo studio dei fenomeni ottici offre molti indizi sulla natura stessa della luce; tra i primi si ricordano gli esperimenti di rifrazione della luce con prisma eseguiti da Newton tra il 1665 e il 1666.
Le conclusioni di Newton, secondo cui la luce era un fenomeno composto, furono contestate ai primi dell'Ottocento da Goethe, il quale nella sua "Teoria dei colori" osservò che non è la luce a scaturire dai colori, bensì il contrario: la luce è per Goethe un fenomeno «primario», di natura quasi spirituale, che interagendo con l'oscurità genera la varietà dei colori per effetto del suo maggiore o minore offuscamento.
Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda maggiori (frequenze più basse) al violetto delle lunghezze d'onda minori (frequenze più alte).
Non a tutti i colori possiamo associare una lunghezza d'onda precisa. Non c'è, cioè, una relazione biunivoca tra i colori che noi percepiamo e le lunghezze d'onda. Quasi tutte le radiazioni luminose che il nostro occhio percepisce dall'ambiente circostante non sono del tutto "pure", ma sono in realtà una "sovrapposizione" di luci di diverse lunghezze d'onda. Se ad ogni lunghezza d'onda è associabile un colore, non è vero il contrario.
Quei colori a cui non sono associate lunghezze d'onda, sono invece generati dal meccanismo di funzionamento del nostro apparato visivo (cervello + occhio). In particolare i coni, cellule della retina responsabili della visione del colore, si differenziano in tre tipi perché sensibili a tre diverse regioni spettrali della luce, Coni M (sensibili alle lunghezze d'onda medie), coni S (sensibili alle lunghezze d'onda corte) e coni L (sensibili alle lunghezze d'onda lunghe). Quando al nostro occhio arriva luce composta da più onde monocromatiche, appartenenti a regioni diverse dello spettro, il nostro cervello interpreta i segnali provenienti dai tre tipi di sensori come un nuovo colore, "somma" di quelli originari. Il che è molto simile al procedimento inverso di quello che si fa con la riproduzione artificiale dei colori, per esempio con il metodo RGB.
Le frequenze immediatamente al di fuori dello spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate "ultravioletto" (UV), per le alte frequenze, e "infrarosso" (IR) per le basse. Anche se noi non possiamo vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Tutte le lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico, a partire dalla luce visibile - escludendo le parti minoritarie dei raggi x, delle onde radio e solo una porzione degli ultravioletti -, sono fonte di calore. Telecamere in grado di captare i raggi infrarossi e convertirli in luce visibile vengono chiamati visori notturni. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi. Gli ultravioletti di tipo b sono "i responsabili" delle scottature se l'esposizione solare è avvenuta in modo inadeguato.
La luce visibile è una porzione dello spettro elettromagnetico compresa approssimativamente tra i 400 e i 700 nanometri (nm) (nell'aria). Ogni singola radiazione elettromagnetica dello spettro è caratterizzata da una frequenza " f " e relativa lunghezza d'onda "λ", che obbediscono alla relazione:
dove v è la velocità della radiazione o fotone nel mezzo considerato.
Nel vuoto, essendo v = c (velocità della luce nel vuoto), la relazione diventa:
Di seguito sono riportate quantità o unità di misura legate a fenomeni luminosi:
La luce può essere prodotta a partire dalle seguenti sorgenti:


In fisica la riflessione è il fenomeno per cui un'onda, che si propaga lungo l'interfaccia tra differenti mezzi, cambia di direzione a causa di un impatto con un materiale riflettente.
In acustica la riflessione causa gli echi ed è utilizzata nel sonar. In geologia è importante nello studio delle onde sismiche.
Assorbimento, riflessione e trasmissione sono i fenomeni che avvengono quando la luce interagisce con la materia: quando l'energia radiante incide su un corpo, una parte viene assorbita, una parte viene riflessa e una parte trasmessa e per la legge di conservazione dell'energia, la somma delle quantità di energia rispettivamente assorbita, riflessa e trasmessa è uguale alla quantità di energia incidente.
Per indicare il tipo di riflessione di cui si tratta si usano gli aggettivi:
La riflessione può avvenire:
La riflettanza ("reflectance") è il rapporto tra flusso riflesso e flusso incidente valutato per ogni lunghezza d'onda. Essendo definita come rapporto di grandezze omogenee, la riflettanza è una grandezza adimensionale e viene espressa in percentuale (0-100%) o come fattore (0.0-1.0). Inoltre riguarda il flusso e quindi la totalità della radiazione riflessa nella emisfera. Il materiale artificiale con minor rifflettanza è il Vantablack.
La riflettanza non è solo funzione della lunghezza d'onda ma anche dell'illuminazione, della geometria di irradiamento e della geometria di visione (cioè della geometria con cui si illumina il corpo e della geometria con cui si misura la quantità riflessa), per cui è necessario definire una grandezza più generale della riflettanza, cioè il fattore di riflessione.
Si fa riferimento al "diffusore riflettente ideale". Si tratta di un corpo (ideale, cioè teorico) che non assorbe e non trasmette, ma riflette diffusamente la radiazione ricevuta con radianza o luminanza uguale per ogni angolo di riflessione e indipendentemente dalla direzione della radiazione incidente. Come prima applicazione del concetto di diffusore riflettente ideale si definisce il fattore di radianza ("radiance factor") o il fattore di luminanza ("luminance factor") come il rapporto tra la radianza di un'area e quella del diffusore ideale riflettente irradiato nello stesso modo.
Con riferimento a questo corpo ideale, il fattore di riflessione ("reflectance factor" o "reflection factor") di un corpo è il rapporto tra il flusso riflesso dal corpo in un dato cono il cui vertice è sul corpo considerato e il flusso riflesso dal diffusore riflettente ideale.
Il fattore di riflessione è dunque una grandezza generica che corrisponde:
Un tipico spettrofotometro è in grado di misurare il fattore di riflessione spettrale ad intervalli di 10 nm nell'intervallo da 380 a 730 nm.
La riflessione di onde elettromagnetiche è regolata da due leggi fondamentali, ricavabili dal principio di Fermat e dal principio di Huygens-Fresnel:
Un'onda elettromagnetica riflessa può subire uno sfasamento. Questo dipende dagli indici di rifrazione del mezzo nel quale viaggia la luce (formula_1) e del mezzo oltre la superficie riflettente (formula_2):
