我們用來觀看的信使
關於手臂能觸及範圍以外的世界，你所知的幾乎一切都是靠光傳來的。抬頭望去，你接收到的是八分鐘前離開太陽的光，或幾千年前離開某顆恆星的光。關於光有三個樸素的事實，能帶我們走很遠。第一，在均勻介質中，光沿直線行進——這就是為什麼會有清晰的影子，也是為什麼你能用雷射筆瞄準。第二，它快得驚人：真空中約每秒 3\times10^{8} 公尺，快到一秒鐘能繞地球七圈。第三，它攜帶能量——陽光曬暖你的皮膚，夠強的光束甚至能切割鋼板。
光學研究的正是光的行為：它如何反彈、彎折、擴散與疊加。了不起的是，你日常接觸的一大部分——鏡子、透鏡、彩虹、光纖網路，乃至「看見」這件事本身——都能由少數幾條規則導出，而這條學習路徑就要從零把它們建立起來。
兩種圖像：光線與波
物理學家對光懷有兩種心像，並在兩者之間切換。在光線模型（幾何光學）中，光是一束細直的箭頭，會在表面反射與彎折。這幅圖像簡單，而且正是處理鏡子、透鏡、相機與眼睛所需要的。在波動模型（波動光學）中，光是一列行進波，能繞過障礙擴散、能彼此相加或抵消。處理干涉、繞射與薄膜的色彩效應時，就需要這幅圖像。
光是一種電磁波
究竟是什麼在振動？不是繩子，也不是空氣——光不需要介質，能穿越空無一物的空間。光是一種電磁波：由電場與磁場自我維持的漣漪，兩者互相垂直，也都垂直於行進方向。正因不需介質，它能以宇宙普適速率 c 在真空中穿行。一列波由它的波長 \lambda（波峰間的距離）與頻率 f（每秒週期數）來描述。對光而言，這兩者被波速關係鎖在一起。
真空中的光，頻率乘以波長等於 c。既然 c 固定，波長越短就一定意味著頻率越高。
同一道譜，萬般面貌
無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X 光與伽瑪射線全是同一種東西——電磁波——差別只在波長與頻率。無線電波可長達數公尺甚至數公里；可見光大約橫跨 400 奈米（紫）到 700 奈米（紅）；伽瑪射線比一個原子核還短。我們隨口說的光的顏色，其實就是它的波長。這整個大家族就是電磁波譜，而我們眼睛能感受的那一小條並非偶然：它恰好落在太陽最亮、且水最透明的地方。
反射：光學的第一條定律
當光打到光滑表面便會反彈。在接觸點畫一條垂直於表面的假想線——法線。從法線量入射光線的角度（記為 \theta_i），也從法線量反射光線的角度（\theta_r）。反射定律說這兩者相等，而且入射線、反射線與法線都落在同一平面內。
入射角等於反射角——兩者都從法線量起，絕不是從表面本身量起。
即使是粗糙的牆面，反射定律依然成立——只是那裡每個微小平面朝向不同，於是平行入射的光線被散射向四面八方。這就是漫反射，也是你從任何角度都能看見無光澤紙面的原因。拋光的鏡子讓這些微面對齊（鏡面反射），因此平行光線保持平行，影像得以留存。同一條定律，不同的表面。