導讀：是什麼限制了光的傳播速度，GZK阻斷隻是其中一個原因。
原文标題：光的本質和光的傳播速度。
通過上面的很多章節，我們分析了光的諸多實驗。包括光的反射，折射，色散，幹涉，衍射，光電效應及邁克爾遜莫雷實驗。這一章我們将對光知識有一個整體的總結和發散思考。
沒有光，人類世界是不可想象，但我們要了解光，追上光，似乎真的很難。從人類誕生到今天，光學研究依然很熱門，就足以說明了這一點。甚至有人說光是“承上啟下”的東西，連接配接宏觀世界和量子世界，誰如果吃透了光的本質，就會對這個世界有深的認識。
你認為光是怎樣的？光對你來說意味着什麼？今天我們一起來走進光的世界，去揭開它最神奇的面紗。
首先大家要知道“光”是一個特殊的詞，為什麼這樣說呢？因為光的本質是電磁波。麥克斯韋是第一個作出光是電磁波預言的人，赫茲是第一個用實驗證明的人。
我們通常所說的光，光源，是我們可以看見的電磁波。電磁波的可見光譜範圍大約為390～760nm，這隻是整個電磁波譜中範圍極小的一部分，是以說光是特殊的。其他光譜範圍是人類看不見的電磁波，有紫外線，紅外線，x射線，伽馬射線等等。
是以重要的事情再強調一遍——光是一種電磁波！那麼我現在來問大家一個問題。
光具有的折射，反射，幹涉以及有光電效應的現象，對于x射線，伽馬射線，紫外射線等也有嗎？答案是确定無疑的，光具有的一切性質，其他波段的電磁波也具有。隻是我們人的眼睛看不到而已，能借助其他儀器來觀測。
但不同光譜範圍的電磁波，會有不同的差異。比如，x射線，伽馬射線有很強的穿透性，對人體有危害。但在這裡要強調，這種差異主要是對人類來說的。因為對一塊石頭而言，任何一種電磁波都是一樣的。一塊石頭看不見任何光譜範圍的電磁波，對于它來說也不存在“傷害”這個詞。
光是一種電磁波，會引出另一個問題——電磁波的本質是什麼？隻有了解電磁波的本質，才算是了解了光的本質。電磁波是電磁場的一種運動形态。電與磁可說是一體兩面，變化的電場會産生磁場（即電流會産生磁場），變化的磁場則會産生電場。變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場，就是電磁場。而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動就如同微風輕拂水面産生水波一般，是以被稱為電磁波。
電磁波的官方定義如下：電磁波是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。
是以電磁波本質是電磁場輻射。那麼根據輻射學說，絕對零度不可達到，就說明萬物皆有輻射。向外輻射能量，這種輻射就是電磁輻射。
用另一句通俗的話說，電磁波是一種能量，光自然也是一種能量。這樣我們就把光的一般性認識推廣到所有物質中來了，任何物質都是能量。
這時候大家會想起愛因斯坦的一個質能公式：E=MC2。這個公式中竟然出現了光？這是偶然嗎？顯然我不會這麼想。推導到這裡，我們再來總結一下，光是一種電磁波，電磁波是一種能量輻射，即光是一種能量。
質能公式是普遍的，是宇宙範圍内适用的公式，光出現在這個公式中，本身就代表了它是衡量宇宙物質能量的一個不可或缺“因子”。
無論你是國中生，還是科研工作者，如果你從來沒有這樣思考過的話，現在就可以好好思考一下這個問題。
我在第一章就強調過“世界是确定的，但世界的确定性我們無法把握。”這句話的深層含義就包括了，任何聯系的偶然性，都是确定的。是以光出現在這個質能公式中，就不是偶然。
同樣正是本着這樣的思維指導，我在《變化》中大膽地對慣性做了新的定義。也就是說慣性品質和引力品質嚴格相等的事實，在我看來絕非偶然，是以我推出引力是慣性的源泉。
同樣宇宙間的衆多的平方反比定律，在我的眼中也非偶然，值得去探究。如果你把所有這一個個相似，看成偶然，我們必然會失去走近真相的機會。
無獨有偶，愛因斯坦場方程是中也出現了光。牛頓力學是愛因斯坦狹義相對論在低速條件下的極限，包括萬有引力定律。是以萬有引力公式中其實是暗藏“光”的因素。想到低速，你立刻就要想到“速度”這個詞。但想到速度，你又會想到光速！對了，就是這樣的。對于速度所帶來的沖擊，于我們人類來說，至今新鮮。新的時空觀，新的宇宙觀，好像什麼都是新的。
我們這一章是對光的總結性和啟發性認識，是以我們必須緊緊圍繞光來說。那麼現在說說光的運動，關于光的運動，前面的幾個章節的鋪墊，已經是現代實驗所取得的成果。
首先我們普通人的第一印象是光沿着直線傳播，其次光速很快，是最快的。一個涉及運動方向，一個涉及運動速度，現在對這兩個點我們進行分析認識。
更嚴謹的認識應該是這樣的，光在真空中沿直線傳播，也可以表述為光在同一種均勻媒體中沿直線傳播。【但最嚴格的真空和均勻媒體是不存在的。】
在現實世界中，光大多時候不是沿着直線傳播的。光在媒體中傳播時，由于光受到媒體的互相作用，其傳播路徑遇到光滑的物體會發生偏折，産生反射與折射的現象。
還有在不同條件下出現幹涉，衍射等現象。另外，根據廣義相對論，光在大品質物體附近傳播時，由于受到該物體強引力場的影響，光的傳播路徑也會發生相應的偏折。
那麼我現在又有問題了？我們說光沿着直線傳播正确嗎？答案是對的。光在同一種均勻媒體中沿直線傳播。就以上圖為例白色光在進入三棱鏡之前，算是在同一種媒體中，是以是直線傳播。進入三棱鏡後，在三棱鏡中也算同一種媒體中【隻不過是被折射了】，在出三棱鏡界後，又是在同一媒體中，是以沿着直線傳播。
這個問題還可以轉化為，光沿着直線傳播，可是彩虹為什麼是圓弧狀的？大概就是上面的原因，但情況比較複雜。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠，經過折射→反射→折射……後射向我們的眼睛所形成。
我們的問題永遠不會有最後的一個！接下來我再問你們一個問題：“既然光線是沿着直線傳播的，為什麼又說它是一種波，還有波峰，波谷？”專業人士不要笑，确實有很多朋友，有這樣的疑惑。既然是科普，就要講出大家的疑惑。
答案确實不難，我們說光是沿着直線傳播的，可是沒有人告訴你光是直線！大家要記住光沿着直線傳播，但光不是直線！光是有波峰，波谷，和頻率的，是以是有“波”的性質。
至于我們眼睛看到了光是直線，那是眼睛在欺騙我們。
如果你讀了我關于光學知識的前幾章鋪墊，就應該很清楚，剛開始光的微粒說是占主導地位的，這裡面牛頓的影響很大。後來有了幹涉和衍射現象的實驗和解釋，才打破微粒說，使波動說開始被重視。再後來，愛氏關于光電效應的解釋，引出光的波粒二象性。
在光具有波粒二象性的啟發下，法國實體學家德布羅意在1924年提出一個假說，指出波粒二象性不隻是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質子、中子，都具有波粒二象性。
他把光子的動量與波長的關系式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有品質m 和速度v 的運動粒子也具有波動性，這種波的波長等于普朗克恒量h 跟粒子動量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個關系式後來就叫做德布羅意公式。
很多人可能沒有耐心看整個前面的鋪墊内容，是以在這裡再次大概給大家說一下人類認識光的過程，先是惠更斯，後來是牛頓。
按照惠更斯原理，波的直線傳播與球面傳播。現在認為較為完全的光理論最早是由克裡斯蒂安·惠更斯發展成型，他提出了一種光波動說。使用這理論，能夠解釋光波如何因互相幹涉而形成波前，在波前的每一點可以認為是産生球面次波的點波源，而以後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。從他的原理，可以給出波的直線傳播與球面傳播的定性解釋，并且推導出反射定律與折射定律，但是他并不能解釋，為什麼當光波遇到邊緣、孔徑或狹縫時，會偏離直線傳播，即産生衍射效應。
惠更斯假定次波隻會朝前方傳播，而不會朝後方傳播。他并沒有解釋為什麼會發生這種實體行為。之後，艾薩克·牛頓提出了光微粒說。他認為光是由非常奧妙的微粒組成，遵守運動定律。這可以合了解釋光的直線傳播和反射性質。但是，對于光的折射與衍射性質，牛頓的解釋并不令人滿意。
由于牛頓無與倫比的學術地位，他的光粒子理論在一個多世紀内無人敢挑戰，而惠更斯的理論則漸漸被人淡忘。直到十九世紀初衍射現象被發現，光的波動理論才重新得到承認。而光的波動性與粒子性的争論從未平息。後來托馬斯·楊、菲涅爾、麥克斯韋、赫茲、愛因斯坦等人完善了光理論。十九世紀早期，托馬斯·楊和奧古斯丁·菲涅耳分别做出重大貢獻。托馬斯·楊完成的雙縫實驗顯示出衍射光波遵守疊加原理，這是牛頓的光微粒說無法預測的一種波動行為。
惠更斯
這實驗确切地證明了光的波動性質。奧古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠更斯原理的基礎上假定次波與次波之間會彼此發生幹涉，又假定次波的波幅與方向有關。
惠更斯－菲涅耳原理能夠解釋光波的朝前方傳播與衍射現象。光波動說并沒有立刻取代光微粒說。但是，到了十九世紀中期，光波動說開始主導科學思潮，因為它能夠說明偏振現象的機制，這是光微粒說所不能夠的。
同世紀後期，詹姆斯·麥克斯韋将電磁學的理論加以整合，提出麥克斯韋方程組。這方程組能夠分析電磁學的種種現象。從這方程組，他推導出電磁波方程。應用電磁波方程計算獲得的電磁波波速等于做實驗測量到的光波速度。于是麥克斯韋猜測光波就是電磁波，電磁學和光學是以聯結成統一理論。
1888年，海因裡希·赫茲做實驗發射并接收到麥克斯韋預言的電磁波，證明麥克斯韋的猜測正确無誤。從這時，光波動說開始被廣泛認可。
看完了上面的介紹和解釋，你對光的運動有提問嗎？我有提問：“惠更斯原理所假想的光的傳播是真實的光的情況嗎？即關于球面波，次波，包絡面等這樣描述，是光的真實樣子嗎？”
顯然這些“次波”，“球面波”，“包絡面”都是後天發展的詞，也難為先輩們了。沒有好的想象力，還不好創造這些詞。
顯然惠更斯是很有開創性思維的一個人，但大家要知道，他的原理是從現象入手的，并不是說他觀測到了“包絡面”“次波”之類的，是為了闡述光的運動，為了符合觀測現象，而創造了這些詞。
想象的成分很大，但這是結合實際的想象，是以是有用的。沒有這些詞，我們很難給你說清楚光的諸多現象。
現在我們知道了光具有波粒二象性，那麼次波的觀點肯定是正确的，有一種“微分”思維在裡面。至于包絡面，弧度這是“波”的特性，也可以認為是正确的。是以答案就很明顯了，這是在描述光的真實情況。
假如有另一個星球的人，他們所用的關于描述光運動現象的詞，肯定不是這些。但我們知道，無論他們用了什麼詞，我們描述的東西是一個東西。就好像語言一樣，“早上好”有很多個不同的表述，發音，字型不一樣，但我們知道，我們說的是同一個意思。
那麼菲涅爾在關于衍射和幹涉的解釋，無疑也是正确的。因為他是在惠更斯的基礎上發展的理論。
惠更斯和菲涅爾的理論的數學證明，是由費馬給出的。這個前面的章節中有說過。
關于光的衍射和幹涉的解釋，也是量子力學的基礎。大家熟悉的一個實驗還有單電子幹涉實驗。相當詭異的一個實驗，一般認為一個電子同時通過兩個縫隙，還有電子和實驗觀察者的關系等等。本章在此不做讨論，但後面的文章中會為大家做這個解釋和闡述。現在繼續就光速做出解釋。
可以毫不誇張的說，“光速”出現在了很多最普遍的實體公式之中。愛因斯坦場方程就是這樣的方程。我在實體書籍《變化》中對愛氏場方程做了很多闡述。無疑場方程是正确的理論，它的難解性，就在于場方程的非線性波動性。
光速無法超越，這是我們現在的認知。可是光速為什麼無法超越？光速為什麼是30萬米每秒？回答這些問題，對我們很重要。
其實這個問題在《變化》第二十六章《關于光的品質以及運動速度的說明》中我就有過闡述。今天再給大家闡述說明一下。
真正意義上物體的運動速度是不會超越光速的，而且光子是沒有靜止品質的，光也就沒有靜止品質的。這點我是贊同愛氏的觀點。
我們先來說說物體為什麼不會超越光速？大家看看這個公式m=m0/sqrt(1-v^2/c^2)。假如物體的速度V大于光速，那麼根号下肯定是1減去比它大的數字，得到一個負數，負數怎麼開根？就算開出來也沒有任何意義。這就是為什麼理論上超光速是不存在的。
同樣是這個公式，我們假設物體品質為1，物體速度達到光速。那麼此時物體的品質就變成了1除以0了。1除以零在數學上沒有意義，可是在現實宇宙環境中，意味着無窮大。也就是說物體品質趨向于無窮大。大家可以在手機上輸入1除以0，就會顯示無窮大。
是以這就是為什麼物體不能達到光速的數學解釋。無論品質為1,2,3等任何一個正數，除以零，都是一個無窮大的趨向。
靈遁者科普四部曲
這是數學解釋，你滿意嗎？我還要更深層次問物體不可以光速運動的原因是什麼？一切數字公式回歸現實才會變的有力量！
我這樣來回複大家，愛氏用時空彎曲解釋引力的成因，我認為需要修正。那就是引力的成因是時空，不是時空彎曲。而且時間，空間，物質是一體的東西。這種一體的東西都可以用時空能量來衡量。是以任何物體必然是處于引力場中，處于宇宙之中的物體。
那麼一個物體要超越光速就必須克服時空性質。這種時空性質是指宇宙環境，畢竟時間，物質，空間是一體的東西，時空具有粘性和彈性。
而且有品質的物體以光速運動的話品質會趨于無限大，時間将停止。就好像是說這個物體作為一個“力點”要試圖影響和拉動整個宇宙。是以這是不可能實作的情況。因為單個物體的能量是不會超越整個宇宙的能量。是以這樣解釋的話，光速其實是個法則，即光速是一種束縛态，是一個束縛态法則，時空束縛态法則。這就是為什麼物體運動速度不會超越光速！
另外一種通俗的解釋可以是這樣的，宇宙要求光速是以30萬米每秒為極限做運動，而不容許它突破。
早在1966年，科學家就發現，除了光速之外，宇宙中還存在一種速度限制，這被稱為“GZK截斷”（GZK cut off），下面我們來看看具體是怎麼回事。
根據“大爆炸理論”，我們的宇宙誕生于一個溫度極高、密度極大的“奇點”。由于光速的限制，宇宙誕生初期的光子至今仍然在宇宙傳播，但因為宇宙的膨脹，它們現在已經進入了微波波段，在我們看來，不管是在哪個方向，我們接收到的這種微波輻射都相同的，是以這就被稱為“微波背景輻射”（CMB）。
“微波背景輻射”的光子充滿了整個宇宙，所有在宇宙空間中運動的物質都将不可避免地與它們相遇，通常情況下，“微波背景輻射”的光子并不會影響到物質的運動狀态，但科學家卻發現，當物質的運動速度超過了一個臨界值時，就會與“微波背景輻射”的光子發生互相作用，而這個臨界值所對應的能量，就被稱為“GZK極限”（GZK limit）。
例如質子的“GZK極限”為5 x 1019eV（注：eV即電子伏特），如果在宇宙空間中運動的質子，其運動速度所對應的能量超過了這個值，它就會與“微波背景輻射”的光子發生互相作用，并生成π介子，這樣就會造成這個質子損失能量，其速度也會是以而降低。
一般認為，在宇宙中無論是微觀的粒子還是宏觀的物體，都會受到“GZK截斷”的限制，這就意味着，要超光速飛行，首先要打破“GZK極限”。
我們的問題還沒有結束！既然光可以被大品質物體的引力偏轉，就說明它應該具有品質。如果沒有品質，引力就不會作用與它。
來看看兩個公式，質能公式E=MC^2，和普朗克E=hv。假設光子有品質，是以不同的躍遷跳躍光子對應不同速度，然而這與觀察結果不相符，被觀測的光子速度均為統一速度。而且普朗克公式裡面本來就沒有m的出現，本身就說明了光子靜止品質為零。或者也可以說沒有靜止品質，這樣更加準确。
事實上我們知道光子靜止品質為零，是一種理論的要求，我們誰也沒有測量它的品質是“零”，也無法測量，因為你無法找到靜止的光子。是以說光子沒有靜止品質是準确的。也可以說光子是一定有品質的，是有運動品質的。
愛氏曾質疑牛頓第一定律有循環論證嫌疑，這裡我發現他這個理論也有循環論證嫌疑。我們在現實生活中找不到慣性系，卻要來說明在慣性系中物體總要保持勻速直線運動和靜止狀态。
同樣我們要證明光子靜止品質為零，首先必須找到靜止的光子。可是靜止的光子我們找不到，但我們還說光子靜止品質為零。或者說光子沒有靜止品質。在這裡的讨論看似無意義，其實很有意思。
我們接着假設光子沒有靜止品質，不同躍遷的光子對應一個固定的光譜，與觀測結果一緻，是以我們說光子沒有靜止品質。
那麼問題又來了，光有運動品質，為什麼運動過程，品質沒有無限大？ 一般書本以光子沒有靜止品質來說明，但是我們其實還是不了解的。有運動品質，為什麼不遵守理論内容呢！
類似的問題還有一個：光速為什麼以光速運作？規定光速原則的性質和宇宙法則機制如何的？
先來回答第一個問題，光有運動品質，卻可以光速運作。我認為這和波粒二象性有關。光子的能量是傳輸是一份份的，而它被大品質物體偏轉時候又表現出“波”的性質。
品質和能量是兩個概念，物體的一體兩面。光子我們多以能量來形容。也就是光子以光速運動的能量是多少多少，而不是品質是多少多少。能量不是無限大，品質自然也不是無限大。是以光子這個特殊的粒子以光速運動品質不會無限大。
否則打在我們身上的太陽光，直接将我們打的灰飛煙滅！但太陽光很溫暖，說明它攜帶有能量。用我們可見的詞彙來形容就是“溫暖”，你見過誰會說給我來二斤“溫暖”。這樣形容其實不準确，隻是為了讓大家有直覺的感受。
而一個原本有品質的物體，要以光速運動，就需要無限能量來維持它以光速運動。能量是無限的，那麼品質自然無窮大，是以有品質的物體是不可能達到光速的。
其實波粒二象性本身就是“宏觀”和“量子”的結合展現。也可以說是物體“品質”和“能量”的過渡展現。我們一般說品質多指宏觀，能量卻可以指向微觀。是以愛氏在發現光電效應和建立了相對論理論後，一直腦海中有統一四種基本的力的構想，這思路是正确的，也是可以統一的。實體學的發展本身也是證明了這一點，隻不過萬裡長城還差最後一段沒有走完！
至于最後一個問題：光為何以光速運動？剛才上面有回答了，其實還是時空“粘性”使然。這種粘性是時空性質，阻礙了物體的光速運動，又使得光子能以光速運動。
說到上面的循環論證，我想到了哥德爾不完備定理。
1、任意一個包含一階謂詞邏輯與初等數論的形式系統，都存在一個命題，它在這個系統中既不能被證明為真，也不能被證明為否。
2、如果系統S含有初等數論，當S無沖突時，它的無沖突性不可能在S内證明。
是以大家看到了，偉大的哥德爾為我們揭示了一個哲理啟發。任何一個循環論證，悖論和理論想要以此說此，以彼證彼，層層跟進，最後的結果是不可證，不可說。
這就告訴了我們，宇宙以一種彼此連接配接的形式存在，卻不能自證真僞。是啊，宇宙不需要真，也不需要僞，但是人類需要！
我們的問題沒有最後的一個！其實關于光，再多的問題也不多餘，真正的難題，還沒有解決。
麥克斯韋當初計算出電磁波速度是光速，大膽預言光就是電磁波。可是到現在有誰能說明光速為什麼是30萬千米每秒，而不是29萬千米每秒。電磁波在真空中是30萬千米每秒，是頻率和波長的乘積。可是單個光子速度也是30萬千米每秒，單個光子也有頻率和波長嗎？
各位可以了解為什麼說我們的問題永遠不會是最後一個了吧？
更多問題，更多回答。我的回答不是最好的，你們可以罵，但我希望你們的回答永遠都比我好，比我的回答有啟發性。
摘自獨立學者，作家靈遁者科普書籍《見微知著》。《見微知著》為靈遁者科普四部曲之一。其他三本為《變化》，《探索生命》，《重構世界》。