意大利著名美術家、科學家列奧納多·達·芬奇(Leonardo da Vinci，1452-1519)（如上右圖）以博學多才著稱，他在光學、力學、數學和解剖學等方面都有不少創見或發明。他描述了光是如何通過不同表面反射的，眼睛是如何感覺反射并判斷距離的，人類的眼睛是如何接受透視的，以及光投射在物體上是如何產生陰影的。
德國天文學家和數學家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler，1571-1630）（如下左圖）對光的折射現象進行了深入的研究，并于1611年出版了《折射光學》一書。開普勒的研究表明，對于兩種給定的媒質，小于30度的入射角同相應的折射角成近似固定的比，對于玻璃或水晶，這個比約為3:2。他還表明，這個比對于大的入射角不成立。開普勒試圖通過實驗發現精確的折射定律，他的方法雖然是正確的，卻沒有得到其中有規律性的聯系，但開普勒的研究為后來斯涅耳得出折射定律起到了一定的啟示作用。
荷蘭數學家威里布里德·斯涅耳（Willebrord Snell Van Roijen，1591-1626）（如上右圖）在總結托勒密、開普勒等前人的研究成果后做了進一步的實驗。1621年，斯涅耳在實驗中注意到了水中的物體看起來像漂浮的現象，由此引出了他對折射現象的研究，并發現了光的折射定律，也稱斯涅耳定律，但當時未做任何理論推導，雖然正確，卻未正式公布。
1637年，法國數學家、物理學家、哲學家笛卡兒(Rene Des cartes，1596—1650)（如下左圖）在他的《屈光學》書中提出了著名的折射定律。他從一些假設出發，并從理論上進行了推導，即光的入射角與折射角的正弦之比為常數，由此而奠定了幾何光學的基礎。
十七世紀中期，物理光學有了進一步的發展。1655年，意大利數學家格里馬第（Francesco Maria Grimaldi，1618-1663）（如上右圖）在實驗中讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上，他發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像，馬上聯想起了水波的衍射，于是格里馬第提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光波動說。格里馬第認為，物體顏色的不同，是因為照射在物體上的光波頻率的不同引起的。
格里馬第的實驗引起了英國物理學家胡克（Robert Hooke，1635-1703）（如下左圖）的興趣。他重復了格里馬第的工作，并仔細觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過薄云母片而產生的光輝。他判斷，光必定是某種快速的脈沖，提出了“光是以太的一種縱向波”的假說。根據這一假說，胡克也認為光的顏色是由其頻率決定的。他在1665年出版的《顯微術》（Micrographia）一書中明確地支持波動說。這本著作很快為胡克贏得了世界性的學術聲譽，由于他的加入，波動說似乎也在一時占了上風。
英國物理學家、數學家和天文學家牛頓 (Isaac Newton，1642-1727)（如上右圖）以極大的興趣和熱情對光學進行研究。1666年，牛頓在家休假期間用三棱鏡進行了著名的色散試驗。一束太陽光通過三棱鏡后，分解成幾種顏色的光譜帶，再用一塊帶狹縫的擋板把其他顏色的光擋住，只讓一種顏色的光再通過第二個三棱鏡，結果出來的只是同樣顏色的光，由此發現了白光是由各種不同顏色的光組成的。為了驗證這個發現，牛頓又設法將幾種不同的單色光合成白光，并且計算出不同顏色光的折射率，精確地說明了色散現象，揭開了物質的顏色之謎，物質的色彩是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛頓把自己的研究成果發表在《皇家學會哲學雜志》上。牛頓的分光試驗使幾何光學進入了一個新的領域：物理光學。牛頓提出了光的“微粒說”，認為光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直線運動路徑。
荷蘭物理學家、天文學家、數學家克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens，1629-1695）（如右圖）是與牛頓同一時代的科學家。惠更斯發展了光的波動學說，在1678年給巴黎科學院的信和1690年發表的《光論》一書中都闡述了他的光波動原理，即惠更斯原理。他認為每個發光體的微粒把脈沖傳給鄰近一種彌漫媒質（“以太”）微粒，每個受激微粒都變成一個球形子波的中心。他從彈性碰撞理論出發，認為這樣一群微粒雖然本身并不前進，但能同時傳播向四面八方行進的脈沖，因而光束彼此交叉而不相互影響，并在此基礎上用作圖法解釋了光的反射、折射等現象。惠更斯提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理，打破了當時流行的光的微粒學說。
牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動說”構成了關于光的兩大基本理論，并由此而產生激烈的爭議和探討，科學家們就光是波動還是微粒這一問題展開了一場曠日持久的拉鋸戰。因牛頓在學術界的權威和盛名，“微粒說”一直占據著主導地位。
英國物理學家托馬斯·楊（Thomas Young，1773-1829）（如下左圖）對牛頓的光學理論產生了懷疑。楊氏在1800年寫成的論文《關于光和聲的實驗和問題》中，把光和聲進行類比，因為二者在重疊后都有加強或減弱的現象，他認為光是在以太流中傳播的彈性振動，并指出光是以縱波形式傳播的。他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。在經過百年的沉默之后，波動學說終于重新發出了它的吶喊；光學界沉悶的空氣再度活躍起來。
1801年，楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現象，從而證明了光是一種波（如上右圖）。楊氏在英國皇家學會的《哲學會刊》上發表論文，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1803年，楊氏在《物理光學的實驗和計算》論文中根據光的干涉定律對光的衍射現象作了進一步的解釋。他認為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的，雖然這種解釋不完全正確，但在波動學說的發展史上有著重要意義。
楊氏的理論激起了牛頓學派對光學研究的興趣。
1808年，法國著名的天文學家和數學家拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace，1749-1827）（如下左圖）用微粒說分析了光的雙折射線現象，批駁了楊氏的波動說。
1809年，法國物理學家及軍事工程師馬呂斯（Etienne Louis Malus，1775-1812）（如上右圖）在試驗中發現了光的偏振現象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發現光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發生這樣的偏振，這一發現成為了反對波動說的有利證據。
1811年，蘇格蘭物理學家布儒斯特（David Brewster，1781-1868）（如右圖）在研究光的偏振現象時發現了光的偏振現象的經驗定律。光的偏振現象和偏振定律的發現，使當時的波動說陷入了困境，使物理光學的研究更朝向有利于微粒說的方向發展。
面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，比較成功地解釋了光的偏振現象。吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動說理論。
楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓派的法國科學家阿拉果(Dominique Francois Jean Arago，1786-1853)（如左圖）。阿拉果早年遵循微粒說觀點研究光學，認為光和熱、電、磁一樣，都是由無重量的微粒構成的流體，它們受物質分子的短程引力和斥力的作用，產生反射、折射、雙折射等各種光學現象；對分子相同的物質，折射率將和密度成正比。
阿拉果在學習期間就與法國物理學家畢奧（Jean Baptiste Biot，1774-1862）合作研究光在地球大氣中的折射，以證明拉普拉斯在天體力學中提出的大氣由氧和氮的同心環組成、密度隨海拔變動的公式。阿拉果用實驗證明，溫度和壓強影響大氣折射，而空氣溫度及二氧化碳的含量可以忽略。馬呂斯發現光的偏振現象后，阿拉果就用偏振光以不同的入射角度投向各氣態、液態和晶態物質，結果發現了旋光現象。
1813年起阿拉果對微粒說的信仰發生了動搖，他參與測定了許多液體和固體折射率，發現根本不存在微粒說所述的和密度成正比的關系；此外，他還認識到楊氏1801年的干涉理論能更好地解釋色偏振等實驗事實。
法國物理學家菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788－1827）（如下左圖）1815年就試圖復興惠更斯的波動說，但他當時還不知道楊氏關于衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度。后來阿拉果告訴了他楊氏新提出的關于光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎開始了他的研究。1819年，菲涅耳成功地完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之后再次證明了光的波動說。在對光的傳播方向進行定性實驗之后，菲涅耳與轉向波動說的阿拉果一道建立了光波的橫向傳播理論。
1814年，德國天文學家夫瑯和費（Joseph Von Fraunhofer，1787－1826）（如上右圖）在重復做牛頓分解太陽光的實驗時，在一間小黑屋子的窗板上開了一條狹縫，讓太陽光通過這條縫射入屋子里，成為一條扁扁的光束，再讓光束經過三棱鏡，變成了寬大的扇形落到對面的白墻上，成為從紅到紫的光帶，他意外地發現了太陽光譜中的一些重要現象。1821年夫瑯和費在波動學說的基礎上導出了從衍射圖形求波長的關系式。
新的波動學說牢固的建立起來了，微粒說開始轉向劣勢。
隨著光的波動學說的建立，人們開始為光波尋找載體，以太說又重新活躍起來，但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，于是各種假說紛紛提出。
菲涅耳在研究以太時發現，橫向波的介質應該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運轉呢。不久以后法國科學家泊松（Siméon Denis Poisson，1781－1840）（如下左圖）也發現了一個問題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動中必然要有縱向振動，這與新的光波學說相矛盾。
為了解決各種問題，1839年法國數學家柯西（Augustin Cauchy，1789-1875）（如上右圖）提出了第三種以太說，認為以太是一種消極的可壓縮性的介質，試圖以此解決泊松提出的困難。
英國物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831－1879）（如下左圖）通過對電磁現象的研究，建立了電磁學，并將光和電磁現象統一起來，認為光就是一定頻率范圍內的電磁波，從而確立了波動說的地位。這種理論預見后來得到了實驗的證實。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數學原理》相媲美的書，具有劃時代的意義。
1887年，德國科學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）（如上右圖）用實驗證實了電磁波的存在，也證實了光其實是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特性。赫茲在實驗中同時也證實了光電效應，即在光的照射下物體會釋放出電子，這一發現，后來成了愛因斯坦建立光量子理論的基礎。
德國物理學家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858-1947）（如右圖）早期從事熱力學的研究，他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。1900年，普朗克為了克服經典物理學對黑體輻射現象解釋上的困難，創立了物質輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數倍的假說，即量子假說。他引進了一個物理普適常數，即普朗克常數，以符號h表示，其數值為6.626176×10-27爾格·秒，是微觀現象量子特性的表征。他從理論上導出了黑體輻射的能量按波長（或頻率）分布的公式，稱為普朗克公式。量子假說的提出對現代物理學，特別是量子論的發展起了重大的作用。普朗克在做了大量的實驗后又提出了電磁波這種形式的能量輻射，使人們認識到電磁波是某種粒子，既光量子。為了強調光的粒子屬性，光量子被稱之為“光子”。光子的質量在運動中顯示出來。
但電磁學存在著巨大缺陷，按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度（光速）應該是一個恒量，然而根據經典力學對光速的解釋，不同慣性系中的光速不同。光速究竟是否應該遵從相對性原理？電磁學對光速的解釋與經典力學在相對性原理上相互之間產生了巨大的矛盾，而正是這一矛盾，導致了人類歷史上最偉大的科學家——愛因斯坦的出現。
德國科學家愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）（如左圖）堅信宇宙中一切物理現象的背后都蘊藏著完整的統一性，因此，麥克斯韋的電磁學理論必須要與經典力學統一起來。愛因斯坦為了解決這一矛盾，做出了一個假設：假設有個人能夠達到光的速度，與光并肩齊行，那么他就會發現靜止的光。但是，根據麥克斯韋的電磁學原理，振動的電磁波是不可能觀測到的，而且波也不可能處于靜止狀態，也就是說，宇宙中不可能存在光在靜止狀態的參照系，對于任何一個參照系來說，都只有屬于這個參照系的時間與空間。因此，愛因斯坦確信，光在所有參照系中速度必然相同。根據這一物理法則，愛因斯坦進行了多年的探索和研究，1905年創立了狹義相對論，揭示了時間和空間的本質聯系，引起了物理學基本概念的重大變革，開創了物理學的新世紀；提出了光量子論，解釋了光電現象，揭示了微觀客體的波粒二重性，用分子運動論解決布朗運動問題；發現了質能之間的相當性，在理論上為原子能的釋放和應用開辟道路。愛因斯坦的相對論與麥克斯韋的電磁學理論完美地結合在一起，從而推動了物理學上的一次意義深遠的重大革命。
1913年，丹麥物理學家玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885－1962）（如右圖）以《論原子構造和分子構造》為題發表了長篇論文，為20世紀原子物理學開辟了道路。他采用了當時已有的量子概念，提出了幾條基本的“公設”，提出了至今仍很重要的原子定態、量子躍遷等概念，有力地沖擊了經典理論，推動了量子力學的形成。玻爾認為，按照經典理論來描述的周期性體系的運動和該體系的實際量子運動之間存在著一定的對應關系，這一對應原理成為從經典理論通向量子理論的橋梁。玻爾對各種元素的光譜和X射線譜、光譜線的(正常)塞曼效應和斯塔克效應、原子中電子的分組和元素周期表，甚至還有分子的形成，都提出了相對合理的理論詮釋。
1916年美國物理學家羅伯特·密立根(Robert Andrews Millikan，1868－1953)（如下左圖）發表了光電效應實驗結果，驗證了愛因斯坦的光量子說。
美國物理學家康普頓（Arthur Holly Compton，1892－1962）（如上右圖）1921年在實驗中證明了X射線的粒子性。1923年他發表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現象，即康普頓效應，這是近代物理學的一大發現。按經典波動理論，靜止物體對波的散射不會改變頻率。而按愛因斯坦光量子說這是兩個“粒子”碰撞的結果。光量子在碰撞時不僅將能量傳遞而且也將動量傳遞給了電子，它進一步證實了愛因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性。
1924年，奧地利物理學家泡利(Wolfgang Ernst Pauli，1900－1958)（如下左圖）發表了“不相容原理”：原子中不可能有兩個或兩個以上的電子處于同一量子態。這一原理使當時許多有關原子結構的問題得以圓滿解決，對所有實體物質的基本粒子（通常稱之為費米子，如質子、中子、夸克等）都適用，構成了量子統計力學——費米統計的基點。
法國物理學家德布羅意(Louis Victor due de Broglie，1892－1987)（如上右圖）由光的波動和粒子兩重性得到啟發，他大膽地把這兩重性推廣到物質客體上去。他在1923年9－10月間，連續發表了三篇短文：《輻射——波和量子》、《光學——光量子、衍射和干涉》、《物理學——量子、氣體動理論及費馬原理》。1924年，在他的博士論文《量子論研究》中，他全面論述了物質波理論，這一理論以后為薛定愕接受而導致了波動力學的建立。德布羅意把愛因斯坦關于光的波粒二象性的思想加以擴展。他認為實物粒子如電子也具有物質周期過程的頻率，伴隨物體的運動也有由相位來定義的相波即德布羅意波，后來薛定愕解釋波函數的物理意義時稱為“物質波”。德布羅意在并無實驗證據的條件下提出的新理論在物理學界掀起了軒然大波。
1925年，德國物理學家海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901－1976）（如下左圖）鑒于玻爾原子模型所存在的問題，拋棄了所有的原子模型，而著眼于觀察發射光譜線的頻率、強度和極化，利用矩陣數學，將這三者從數學上聯系起來，從而提出微觀粒子的不可觀察的力學量，如位置、動量應由其所發光譜的可觀察的頻率、強度經過一定運算（矩陣法則）來表示。他和玻爾等合作，建立了量子理論第一個數學描述——矩陣力學。1927年，他闡述了著名的不確定關系，即亞原子粒子的位置和動量不可能同時準確測量，成為量子力學的一個基本原理。
1926年，奧地利理論物理學家薛定愕（Erwin Schrodinger，1887～1961）（如上右圖）提出了描述物質波連續時空演化的偏微分方程——薛定愕方程，給出了量子論的另一個數學描述——波動力學。后來，物理學家把二者將矩陣力學與波動力學統一起來，統稱量子力學。
1927年，美國貝爾實驗室的戴維森（Clinton Joseph Davisson，1881－1958）、革未（Lester Halbert Germer，1896－1971）（如上左圖）及英國的湯姆遜（George Paget Thomson，1892－1975）（如上右圖）通過電子衍射實驗，都證實了電子確實具有波動性。至此，德布羅意的理論作為大膽假設而成功的例子獲得了普遍的贊賞。以后，人們通過實驗又觀察到原子、分子……等微觀粒子都具有波動性。實驗證明了物質具有波粒二象性，不僅使人們認識到德布羅意的物質波理論是正確的，而且為物質波理論奠定了堅實基礎。
光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共經歷了三百多年的時間。牛頓、惠更斯、托馬斯·楊、菲涅耳等多位著名的科學家成為這一論戰雙方的主辯手。正是他們的努力揭開了遮蓋在“光的本質”外面那層撲朔迷離的面紗。跨世紀的爭論引出了量子力學的誕生，它是描述微觀世界結構、運動與變化規律的物理科學，是20世紀人類文明發展的一個重大飛躍，引發了一系列劃時代的科學發現與技術發明，對人類社會的進步做出重要貢獻。在現代科學技術中的表面物理、半導體物理、凝聚態物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學以及分子生物學等學科的發展中，都有重要的理論意義。我們的現代文明，從電腦、電視、手機到核能、航天、生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴于量子論。
