Цей розділ — перший із присвячених електромагнітному випромінюванню. Світло, за допомогою якого ми бачимо, становить лише невелику частину широкого спектра явищ однієї природи, причому різні частини спектра характеризуються різними значеннями певної фізичної величини. Цю величину називають «довжиною хвилі». У міру того, як вона пробігає значення в межах спектра видимого світла, колір світлових променів змінюється від червоного до фіолетового. Систематичне вивчення спектра від довгих хвиль до коротких найкраще почати з так званих радіохвиль. У техніці радіохвилі отримують у широкому діапазоні довжин хвиль і навіть довші, ніж ті, що використовуються у звичайному радіомовленні. У радіомовленні застосовують хвилі довжиною близько 500 м, за ними йдуть так звані короткі хвилі, далі радіолокаційний діапазон, міліметровий діапазон і т. д. Насправді між різними діапазонами немає жодних меж, природа їх не створила. Числа, що відповідають різним діапазонам, і, звісно, самі назви діапазонів досить умовні.
Далі, пройшовши довгий шлях через міліметровий діапазон, ми прийдемо до інфрачервоних хвиль, а звідти до спектра видимого світла. Спустившись за його межі, ми потрапимо в ультрафіолетову область. За ультрафіолетовою областю починаються рентгенівські промені, але межу між ними точно визначити ми не можемо, вона десь близько 10-8 м, або 10-2 мк. Це область м'яких рентгенівських променів, за нею йде звичайне рентгенівське випромінювання, потім жорстке випромінювання, потім γ-випромінювання і так до дедалі менших значень величини, яку ми назвали довжиною хвилі.
У межах великого діапазону довжин хвиль є не менш ніж три області, де можливі дуже цікаві наближення. Існує, наприклад, область, де довжина хвилі мала порівняно з розмірами приладів, за допомогою яких вивчають такі хвилі; більш того, енергія фотонів, якщо говорити мовою квантової механіки, менша за поріг чутливості приладів. У цій області перше грубе наближення дає метод, який називають геометричною оптикою. З іншого боку, коли довжина хвилі стає порядку розмірів приладу (такі умови простіше створити для радіохвиль, ніж для видимого світла), а енергія фотонів, як і раніше, мізерна, застосовують інше дуже корисне наближення, в якому враховано хвильові властивості світла, але знову знехтувано ефектами квантової механіки. Це наближення ґрунтується на класичній теорії електромагнітного випромінювання; воно обговорюватиметься в одному з наступних розділів. Нарешті, для ще коротших довжин хвиль, коли енергія фотонів велика порівняно з чутливістю приладів і від хвильового характеру випромінювання можна відволіктися, знову виникає проста картина. Таку фотонну картину ми розглянемо лише в загальних рисах. Повну теорію, що описує все на основі єдиної моделі, ви дізнаєтеся значно пізніше.
У цьому розділі ми обмежимося тією областю, для якої ефективна геометрична оптика і, як буде видно далі, довжина хвилі й фотонний характер світла ролі не відіграють. Ми навіть не поставимо запитання, що таке світло, а тільки опишемо його поведінку в масштабі довжин і часів, набагато більших, ніж деякі характерні величини. Зі сказаного ясно, що йтиметься про дуже грубе наближення, потім нам доведеться «відучуватися» від викладених тут методів. Але відучимося ми легко, бо майже одразу перейдемо до точнішого аналізу.
Геометрична оптика, хоча і є наближенням, становить величезний інтерес з технічної та історичної точок зору. На історії цього питання ми навмисно зупинимося докладніше, щоб дати уявлення про розвиток фізичної теорії або фізичної ідеї взагалі.
Почнемо з того, що світло знайоме кожному й відоме з незапам'ятних часів. Виникає перша проблема: який механізм бачення світла? Теорій було багато, але зрештою вони звелися до однієї: існує щось, що потрапляє в око при відбитті від предметів. Ця ідея існує вже давно і настільки звична, що тепер навіть важко уявити собі інші ідеї, запропоновані, однак, дуже розумними людьми, наприклад, що щось виходить з ока і відчуває навколишні предмети. Були й інші важливі спостереження: світло поширюється з однієї точки в іншу по прямій лінії, якщо ніщо йому не заважає і промені світла не взаємодіють один з одним. Іншими словами, світло поширюється в кімнаті в усіх можливих напрямках, але той промінь, який перпендикулярний до напрямку нашого погляду, не впливає на промені, що йдуть до нас від якогось предмета. Свого часу це був найсильніший аргумент проти корпускулярної теорії світла, і його використав Гюйгенс. Але якщо уявити собі світло у вигляді пучка летючих стріл, то як тоді могли б інші стріли легко пронизувати його? Насправді цінність таких схоластичних доведень досить сумнівна. Завжди можна сказати, що світло складається саме з таких стріл, які вільно проходять одна крізь одну!