光的三層物理意義：光為什么是能量的最小單位，引力為何是光速？

光為什么沒(méi)有靜止質(zhì)量，卻有動(dòng)量，為什么光是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最快速度，為什么光是能量傳遞的最小單位，為什么引力是光速。

如果你問(wèn)我，只需了解一種現(xiàn)象，就能貫通物理學(xué)大部分知識(shí)，那我只能告訴你，那就是光學(xué)。光實(shí)在是太重要了，它不僅貫穿整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)，也是現(xiàn)代物理學(xué)開(kāi)啟的大門(mén)。

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牽扯上的理論，都十分反常識(shí)，比如超光速會(huì)顛覆因果，光不依賴參考系。

同時(shí)光又是極其普遍的。天文現(xiàn)象發(fā)出的任何電磁波，伽馬射線都是光。在微觀世界中，光也是最活躍最常見(jiàn)的能量傳遞的載體。

可以說(shuō)，是光塑造了如今的宇宙。

如今我們已經(jīng)知道光速大約是30萬(wàn)公里每秒，但真實(shí)光速略低于這一數(shù)值，具體數(shù)值是299792458m/s。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，任何達(dá)到光速的粒子，其靜止質(zhì)量必為0，反過(guò)來(lái)說(shuō)，靜止質(zhì)量為0的粒子，其真空速度也必然為光速。

在這里可能很多人疑惑，為什么靜止質(zhì)量為0的粒子速度就是光速。其實(shí)這里面就蘊(yùn)藏著宇宙規(guī)則的一個(gè)深層邏輯，那就是靜質(zhì)量為0的粒子對(duì)應(yīng)的速度必然是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最大速度，至于宇宙為何如此運(yùn)行，就得從能量和動(dòng)量的關(guān)系說(shuō)起。

在經(jīng)典物理學(xué)中，我們知道動(dòng)量p等于質(zhì)量m乘以速度v，動(dòng)能EK等于mv2/2，通過(guò)愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系又可以得知能量E＝mc2。目前我們就得到了三個(gè)公式，分別是動(dòng)量公式，動(dòng)能公式和質(zhì)能方程。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)公式都無(wú)法解釋靜止質(zhì)量為0的粒子，其速度是光速的事實(shí)。

光子靜止質(zhì)量為0，代入這三個(gè)公式中得出的結(jié)論則是，光子既無(wú)動(dòng)量也無(wú)動(dòng)能，甚至也沒(méi)有能量。這與光子具有動(dòng)能和能量的事實(shí)不符。但是這三個(gè)公式并沒(méi)有錯(cuò)，問(wèn)題就出在這三個(gè)公式的適用范圍，它們都是僅能描述有靜止質(zhì)量物體的表達(dá)式。

而想要描述既有靜止質(zhì)量，也無(wú)靜止質(zhì)量粒子的全能公式。則是總能量E2＝(pc)2+(mc2)2。其中(pc)2代表動(dòng)能項(xiàng)，(mc2)2代表勢(shì)能項(xiàng)。所以總能量就等于動(dòng)能加上勢(shì)能。在這個(gè)公式中，我們可以得知，如果一個(gè)物體沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，那么它的動(dòng)量p就為0，所以就可以得出

E＝mc2。而如果一個(gè)物體的靜止質(zhì)量為0，那么勢(shì)能項(xiàng)就為0，則能量E＝pc。所以光子的能量就等于動(dòng)量p乘以光速c。

可能有人在這里有開(kāi)始疑惑了，動(dòng)量p可以拆分為mv，所以光子能量E就等于mv乘以光速c。而光子質(zhì)量又為0，所以這公式依舊無(wú)效。

其實(shí)在這里動(dòng)量p不能等效于mv了。前面已經(jīng)講過(guò)了，p＝mv只適用于有靜止質(zhì)量的物體，這公式對(duì)于描述光子這種無(wú)靜止質(zhì)量的粒子來(lái)說(shuō)是無(wú)用的。

所以光子的動(dòng)量p應(yīng)該是光子能量E除以光速c。而光子能量可以根據(jù)普朗克公式E＝hν可以得到。所以光子的動(dòng)量p就等于普朗克常數(shù)h乘以光子頻率ν(希臘字符)再除以光速c。

看到這里，你就會(huì)明白光子為什么沒(méi)有靜止質(zhì)量卻具有動(dòng)量了。

另外，我們依舊可以通過(guò)E2＝(pc)2+(mc2)2這個(gè)公式從另一個(gè)角度理解為什么光速是宇宙中最快的速度。首先對(duì)于一個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，不管它是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的，它的能量E是不變的，所以E2是恒定的。一旦一個(gè)粒子具有靜止質(zhì)量，那么勢(shì)能這一項(xiàng)必然不為0，這就意味著動(dòng)能項(xiàng)的數(shù)值被勢(shì)能項(xiàng)拿走了一部分，這就導(dǎo)致動(dòng)能項(xiàng)數(shù)值肯定比這個(gè)粒子變成靜止質(zhì)量為0時(shí)要小。所以一旦這個(gè)粒子具有靜止質(zhì)量，那么速度勢(shì)必要小于光速。所以粒子的靜質(zhì)量越大，它的速度就會(huì)越小。同理，靜質(zhì)量越小，速度也就越大。當(dāng)靜質(zhì)量達(dá)到最小，也就是為0，則速度也就會(huì)達(dá)到物質(zhì)的速度極限，即光速。至于光速的數(shù)值是多少，這并不重要，這只是物質(zhì)極限速度的一種量化而已。

現(xiàn)在科學(xué)界基本公認(rèn)：光子是能量傳遞的最小單位。其實(shí)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，能量傳遞的最小單位并非一定是光子，而是能量傳遞的最小單位一定是靜止質(zhì)量為0的粒子，而靜止質(zhì)量為0的粒子除了膠子之外，幾乎都是光子。由于膠子被束縛在原子核內(nèi)，所以并不常見(jiàn)，于是我們一般就認(rèn)為是光子承擔(dān)了能量傳遞的最小單位。

在量子世界，存在各式各樣的粒子，粒子之間的相互作用就是能量傳遞的過(guò)程，比如各種衰變和輻射。而能量傳遞的過(guò)程必然需要一種粒子作為載體，比如電子釋放能量就是輻射光子的過(guò)程，夸克衰變釋放能量就是通過(guò)w或z玻色子的弱力作用釋放正反電子和正反電子中微子的過(guò)程。

所以能量傳遞的本質(zhì)就是物質(zhì)之間通過(guò)交換粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。粒子具有質(zhì)量(包括動(dòng)質(zhì)量)，這些質(zhì)量即能量。

能量傳遞的過(guò)程會(huì)交換很多類型粒子，但只要這些粒子具有靜止質(zhì)量，理論上它就會(huì)衰變。即便是基本粒子，只要它的靜質(zhì)量不為0也會(huì)衰變或輻射 。對(duì)于基本粒子來(lái)說(shuō)，每一次能量的傳遞就意味著一次衰變或輻射。但是粒子并不能無(wú)限衰變下去，衰變也具有終點(diǎn) 。這個(gè)終點(diǎn)就是衰變成靜質(zhì)量為0的粒子，就目前的物理學(xué)認(rèn)知來(lái)說(shuō)，理論上幾乎絕大部分粒子衰變的終點(diǎn)就是光子。而光子是不能再衰變了。

因?yàn)楣庾颖旧淼撵o止質(zhì)量為0，它再怎么衰變也不可能衰變出有靜止質(zhì)量的粒子，也無(wú)法再衰變成同樣靜質(zhì)量為0的粒子了。這就造就了光子是宇宙中為穩(wěn)定的粒子。所以光子攜帶的能量也就是能量傳遞的最小單位，即光量子。

現(xiàn)在我們普遍認(rèn)為，引力的速度就是光速，但到目前為止，物理學(xué)并沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段證實(shí)這一點(diǎn)。引力即光速是相對(duì)論和量子力學(xué)共同預(yù)測(cè)的結(jié)論。就目前對(duì)引力波速度的測(cè)量，引力的速度和光速幾乎沒(méi)有誤差。

2017年8月17日，人類用引力波和電磁波一起看到了來(lái)自雙中子星合并的引力波事件 GW170817。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，引力波速度與光速之間的差值與光速的比值大概在?3×10∧?15到7×10∧?16之間。如此小的誤差率，幾乎是實(shí)錘了引力速度就是光速。

在牛頓理論中，引力的速度沒(méi)有上限，引力是超距作用般的存在。而在廣義相對(duì)論中，引力的速度由六個(gè)自由度中的兩個(gè)張量自由度決定。這兩個(gè)張量自由度只能滿足無(wú)源的波動(dòng)方程，且傳播速度在弱場(chǎng)背景下只能是光速才能有效。而這兩個(gè)張量自由度就是我們熟知的引力波。

在量子力學(xué)的預(yù)言中，引力是宇宙中四大基本作用力之一，那引力的傳遞勢(shì)必需要由一種非連續(xù)的能量包來(lái)承擔(dān)，這種能量包就是量子，且這種量子必須和其他三種傳播子一樣，都屬于規(guī)范玻色子，這就是引力子。

由于引力的作用范圍無(wú)限遠(yuǎn)，所以引力子必然是不能衰變的，如果引力子可以衰變，那么它就會(huì)在傳播的過(guò)程中衰變成其他粒子，從而導(dǎo)致引力在傳播中中斷。所以引力子的靜止質(zhì)量只能為0才能實(shí)現(xiàn)無(wú)法衰變的預(yù)設(shè)。那么引力子的速度就必然是光速。

所以，不管是廣義相對(duì)論還是量子力學(xué)都認(rèn)為引力的速度是光速。所以我們也就采納了引力即光速的說(shuō)法。