Pytanie o to, jak światło przemieszcza się w przestrzeni, jest jedną z odwiecznych tajemnic fizyki. We współczesnych wyjaśnieniach jest to zjawisko falowe, które nie potrzebuje medium do rozprzestrzeniania się. Zgodnie z teorią kwantową zachowuje się również w pewnych okolicznościach jak zbiór cząstek. Jednak dla większości celów makroskopowych jego zachowanie można opisać, traktując ją jako falę i stosując zasady mechaniki falowej do opisania jej ruchu.
Wibracje elektromagnetyczne
W połowie XIX wieku szkocki fizyk James Clerk Maxwell ustalił, że światło jest formą energii elektromagnetycznej, która przemieszcza się falami. Pytanie, jak udaje się to zrobić przy braku ośrodka, tłumaczy się naturą drgań elektromagnetycznych. Kiedy naładowana cząstka wibruje, wytwarza wibrację elektryczną, która automatycznie indukuje wibrację magnetyczną – fizycy często wizualizują te wibracje występujące w prostopadłych płaszczyznach. Sparowane oscylacje rozchodzą się na zewnątrz od źródła; do ich przewodzenia nie jest wymagane żadne medium, z wyjątkiem pola elektromagnetycznego, które przenika wszechświat.
Promień światła
Kiedy źródło elektromagnetyczne generuje światło, światło przemieszcza się na zewnątrz jako szereg koncentrycznych kulek rozmieszczonych zgodnie z wibracją źródła. Światło zawsze podąża najkrótszą drogą między źródłem a celem. Linia biegnąca od źródła do celu, prostopadła do frontów fal, nazywana jest promieniem. Daleko od źródła sferyczne fronty fal degenerują się w szereg równoległych linii poruszających się w kierunku promienia. Ich odstęp określa długość fali światła, a liczba takich linii, które przechodzą przez dany punkt w danej jednostce czasu, określa częstotliwość.
Prędkość światła
Częstotliwość, z jaką wibruje źródło światła, określa częstotliwość i długość fali powstałego promieniowania. Ma to bezpośredni wpływ na energię pakietu falowego – lub impulsów fal poruszających się jako jednostka – zgodnie z zależnością ustanowioną przez fizyka Maxa Plancka na początku XX wieku. Jeśli światło jest widoczne, częstotliwość drgań określa kolor. Jednak częstotliwość wibracji nie ma wpływu na prędkość światła. W próżni zawsze wynosi 299 792 kilometrów na sekundę (186, 282 mil na sekundę), wartość oznaczona przez litera „c”. Zgodnie z teorią względności Einsteina nic we wszechświecie nie porusza się szybciej niż to.
Refrakcja i tęcze
Światło porusza się wolniej w medium niż w próżni, a prędkość jest proporcjonalna do gęstości medium. Ta zmiana prędkości powoduje, że światło ugina się na styku dwóch mediów – zjawisko zwane załamaniem. Kąt, pod jakim się wygina, zależy od gęstości dwóch mediów i długości fali padającego światła. Gdy światło padające na przezroczysty ośrodek składa się z czoła fali o różnych długościach, każdy z przodu fali zagina się pod innym kątem, w wyniku czego powstaje tęcza.
