光的三层物理意义：光为什么是能量的最小单位，引力为何是光速？

光为什么没有静止质量，却有动量，为什么光是物质运动的最快速度，为什么光是能量传递的最小单位，为什么引力是光速。

如果你问我，只需了解一种现象，就能贯通物理学大部分知识，那我只能告诉你，那就是光学。光实在是太重要了，它不仅贯穿整个经典物理学，也是现代物理学开启的大门。

光是宇宙中最特殊也最普遍的存在，光的特殊性在于只要是和光牵扯上的理论，都十分反常识，比如超光速会颠覆因果，光不依赖参考系。

同时光又是极其普遍的。天文现象发出的任何电磁波，伽马射线都是光。在微观世界中，光也是最活跃最常见的能量传递的载体。

可以说，是光塑造了如今的宇宙。

如今我们已经知道光速大约是30万公里每秒，但真实光速略低于这一数值，具体数值是299792458m/s。

根据爱因斯坦的狭义相对论，任何达到光速的粒子，其静止质量必为0，反过来说，静止质量为0的粒子，其真空速度也必然为光速。

在这里可能很多人疑惑，为什么静止质量为0的粒子速度就是光速。其实这里面就蕴藏着宇宙规则的一个深层逻辑，那就是静质量为0的粒子对应的速度必然是物质运动的最大速度，至于宇宙为何如此运行，就得从能量和动量的关系说起。

在经典物理学中，我们知道动量p等于质量m乘以速度v，动能EK等于mv²/2，通过爱因斯坦质能关系又可以得知能量E＝mc²。目前我们就得到了三个公式，分别是动量公式，动能公式和质能方程。你会发现，这三个公式都无法解释静止质量为0的粒子，其速度是光速的事实。

光子静止质量为0，代入这三个公式中得出的结论则是，光子既无动量也无动能，甚至也没有能量。这与光子具有动能和能量的事实不符。但是这三个公式并没有错，问题就出在这三个公式的适用范围，它们都是仅能描述有静止质量物体的表达式。

而想要描述既有静止质量，也无静止质量粒子的全能公式。则是总能量E²＝(pc)²+(mc²)²。其中(pc)²代表动能项，(mc²)²代表势能项。所以总能量就等于动能加上势能。在这个公式中，我们可以得知，如果一个物体没有运动，那么它的动量p就为0，所以就可以得出

E＝mc²。而如果一个物体的静止质量为0，那么势能项就为0，则能量E＝pc。所以光子的能量就等于动量p乘以光速c。

可能有人在这里有开始疑惑了，动量p可以拆分为mv，所以光子能量E就等于mv乘以光速c。而光子质量又为0，所以这公式依旧无效。

其实在这里动量p不能等效于mv了。前面已经讲过了，p＝mv只适用于有静止质量的物体，这公式对于描述光子这种无静止质量的粒子来说是无用的。

所以光子的动量p应该是光子能量E除以光速c。而光子能量可以根据普朗克公式E＝hν可以得到。所以光子的动量p就等于普朗克常数h乘以光子频率ν(希腊字符)再除以光速c。

看到这里，你就会明白光子为什么没有静止质量却具有动量了。

另外，我们依旧可以通过E²＝(pc)²+(mc²)²这个公式从另一个角度理解为什么光速是宇宙中最快的速度。首先对于一个粒子来说，不管它是运动的还是静止的，它的能量E是不变的，所以E²是恒定的。一旦一个粒子具有静止质量，那么势能这一项必然不为0，这就意味着动能项的数值被势能项拿走了一部分，这就导致动能项数值肯定比这个粒子变成静止质量为0时要小。所以一旦这个粒子具有静止质量，那么速度势必要小于光速。所以粒子的静质量越大，它的速度就会越小。同理，静质量越小，速度也就越大。当静质量达到最小，也就是为0，则速度也就会达到物质的速度极限，即光速。至于光速的数值是多少，这并不重要，这只是物质极限速度的一种量化而已。

现在科学界基本公认：光子是能量传递的最小单位。其实严格来说，能量传递的最小单位并非一定是光子，而是能量传递的最小单位一定是静止质量为0的粒子，而静止质量为0的粒子除了胶子之外，几乎都是光子。由于胶子被束缚在原子核内，所以并不常见，于是我们一般就认为是光子承担了能量传递的最小单位。

在量子世界，存在各式各样的粒子，粒子之间的相互作用就是能量传递的过程，比如各种衰变和辐射。而能量传递的过程必然需要一种粒子作为载体，比如电子释放能量就是辐射光子的过程，夸克衰变释放能量就是通过w或z玻色子的弱力作用释放正反电子和正反电子中微子的过程。

所以能量传递的本质就是物质之间通过交换粒子来实现的。粒子具有质量(包括动质量)，这些质量即能量。

能量传递的过程会交换很多类型粒子，但只要这些粒子具有静止质量，理论上它就会衰变。即便是基本粒子，只要它的静质量不为0也会衰变或辐射 。对于基本粒子来说，每一次能量的传递就意味着一次衰变或辐射。但是粒子并不能无限衰变下去，衰变也具有终点 。这个终点就是衰变成静质量为0的粒子，就目前的物理学认知来说，理论上几乎绝大部分粒子衰变的终点就是光子。而光子是不能再衰变了。

因为光子本身的静止质量为0，它再怎么衰变也不可能衰变出有静止质量的粒子，也无法再衰变成同样静质量为0的粒子了。这就造就了光子是宇宙中为稳定的粒子。所以光子携带的能量也就是能量传递的最小单位，即光量子。

现在我们普遍认为，引力的速度就是光速，但到目前为止，物理学并没有通过实验手段证实这一点。引力即光速是相对论和量子力学共同预测的结论。就目前对引力波速度的测量，引力的速度和光速几乎没有误差。

2017年8月17日，人类用引力波和电磁波一起看到了来自双中子星合并的引力波事件 GW170817。

经过计算，引力波速度与光速之间的差值与光速的比值大概在−3×10∧−15到7×10∧−16之间。如此小的误差率，几乎是实锤了引力速度就是光速。

在牛顿理论中，引力的速度没有上限，引力是超距作用般的存在。而在广义相对论中，引力的速度由六个自由度中的两个张量自由度决定。这两个张量自由度只能满足无源的波动方程，且传播速度在弱场背景下只能是光速才能有效。而这两个张量自由度就是我们熟知的引力波。

在量子力学的预言中，引力是宇宙中四大基本作用力之一，那引力的传递势必需要由一种非连续的能量包来承担，这种能量包就是量子，且这种量子必须和其他三种传播子一样，都属于规范玻色子，这就是引力子。

由于引力的作用范围无限远，所以引力子必然是不能衰变的，如果引力子可以衰变，那么它就会在传播的过程中衰变成其他粒子，从而导致引力在传播中中断。所以引力子的静止质量只能为0才能实现无法衰变的预设。那么引力子的速度就必然是光速。

所以，不管是广义相对论还是量子力学都认为引力的速度是光速。所以我们也就采纳了引力即光速的说法。