1.3.1 如果没有摩擦力
我们先来看一部电影的内容介绍：
护士简尼开着刚刚从修车部取来的车，去姐姐家接了孩子，准备把孩子送到妈妈家。朋友艾德也因为自己的车送去修理而又必须赶去开会，搭乘她的车一同上路。途中，一个滑板少年摔在车前，他的滑板坏了，身体受了轻伤，于是又多了一个搭车者。不料上到高速公路后，车子接连出现故障，油门踩下去后卡死起不来，刹车则完全不起作用，车子无法停下。失去控制的车以80千米/时、90千米/时、100千米/时、120千米/时……的速度，像一匹脱僵的野马在公路上急奔。所有的办法都试过了，车子还是停不下来。车上的人命运如何？当然是有惊无险。
这是美国电影《极速惊魂》中的情节。但是，如果在现实中出现这种刹车失灵的事件，恐怕就没有那么幸运了。对于处在高速运动状态的汽车，想停却停不下来的后果将是极其严重的，多数是车毁人亡，惨不忍睹。
汽车没有了刹车，就是没有了将车轮从快速滚动的运动状态及时变成滑动状态的能力，从而无法利用车胎与地面的滑动摩擦使汽车停下来。
这时摩擦力是个关键。汽车就是靠摩擦力运动，而又靠摩擦力停下来的。如果没有摩擦力，任何运动既不会启动，也不会停下来。我们应该说，幸亏有摩擦力。
事实正是如此。
我们在认识了万有引力之后，会有一个疑问，既然万有引力是一个定理，也就是任何物体之间都有引力，否则就不能说是万有，也不能称为定理。但是，我们平时为什么没有看到物体之间的引力作用？
原因很简单，这是因为在地球上的物体之间的引力太小，以至于在一般情况下，根本就无法克服物体在运动时所受到的摩擦力。
例如，两个站着的人之间距离2米远时，相互之间的引力还不到9.8×10-8牛。现在假设这两个人是站在木地板上，这两个人的脚与地板的摩擦力等于其重力的30%，以一个中等身材的人（体重按60千克）计算，这个力至少要有176牛，才能使人移动。那种微小到可以忽略的引力，不能使这两个人互相自动靠近。
当然，如果没有摩擦力，即使再小的引力，也会作用于物体让其移动。仍然以两个人为例，如果没有了摩擦力，这两个人即使在不足十万分之一牛的引力的作用下，也会慢慢地相互靠近。
由此可见，摩擦力使地球上几乎所有物体之间的引力不可能发挥作用。或者说地球上任意两物体之间的引力不足以克服物体与地面所产生的摩擦力。因此，我们也就无法感知万有引力的作用。
至于摩擦力的作用，则不止是抵消了地球上的物体之间的万有引力这么简单。事实上，关于摩擦力的本质，目前并没有肯定的结论，仍在讨论之中。但是摩擦力的作用，特别是在人类生活中的作用或者说利用，则比比皆是。只不过有时要加以利用，有时则要克服。
摩擦力不只是在互相接触的物体之间存在，在运动物体所在的介质中也存在，即在空气和水中的运动，除了两个相互接触的物体以外，运动物体与空气和水也会产生摩擦力，这时表现为运动的阻力，多数情况下是有害的。例如，航天器离开和回到地球时，都会因与空气的摩擦而产生高热，导致航天器外壳温度达到2000℃以上。这对航天器的安全构成极大威胁，要采取许多措施加以缓解。当然，对于跳伞运动，空气阻力就是有利的了。
1.3.2 什么是摩擦力
摩擦力是两个表面接触的物体相互运动时互相施加的一种物理力。
事实上，只有在忽略摩擦力的情况下人们才能引出力学中的基本定律。虽然如此，但摩擦力的存在是世界公认的一个事实。如果没有摩擦力，鞋带无法系紧，螺丝钉和钉子无法固定物体，汽车一旦开动也无法停止。总之，如果没有摩擦力，静止状态就将消失。我们不得不承认，尽管摩擦力也有令人讨厌的时候，但仍然要庆幸有摩擦力存在。
如果要给出一个定义，可以这样说：两个互相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运动时，就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫作摩擦力。
摩擦力因两个物体之间的接触形式不同而有所不同。基本上可以分为以下几种：
1.滑动摩擦
一个物体在另一个物体表面上滑动时产生的摩擦，此时摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。影响滑动摩擦力大小的因素有压力的大小和接触面的粗糙程度。在接触面的粗糙程度相同时，压力越大，滑动摩擦力越大；在压力大小相同时，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。
2.滚动摩擦
一个物体对在它表面上滚动的物体产生的摩擦，滚动摩擦力比滑动摩擦力小得多。轴承就是利用滚动摩擦力大大小于滑动摩擦力而发明出来的。现在在所有机械轮轴转动系统中都要用到轴承，大到几米的水轮发电机巨型轴承，小到微型电动机中的迷你轴承，这些都是为了获得高转速和减少摩擦力而普遍采用的措施。
3.静摩擦
一个物体相对于另一个物体来说，有相对运动趋势，但还没有发生相对运动时产生的摩擦，它随推力的增大而增大，但不是无限地增大，当推力增大到超过最大静摩擦力时，物体就会运动起来。所有从静止状态变为运动状态的过程，都是克服静摩擦力的过程。
特别要指出的是，摩擦力一定是至少两个相互接触的物体之间有相对运动时才起作用的力。并且要记住，静止也是速度为零的运动状态。
1.3.3 想动却动不了
有没有想动却动不了的运动状态？回答是肯定的：有。
还是以我们熟悉的汽车为例。前面说到过，如果没有摩擦力，汽车想动也是动不了的。汽车刹车时需要利用摩擦力，这个很容易理解。我们有时在街上听到汽车刹车时的刺耳声音，就是刹车系统中的摩擦片与刹车片摩擦时发出的。我们还可以在公路的地面上时常发现有汽车轮胎在刹车时与地面摩擦留下的长短不一的黑色胶轮印迹。这是汽车刹车后，车轮滚动被骤然停止，轮胎因惯性以滑动形式与地面摩擦留下的轮胎印。司机和修车人员往往通过观察这种急刹车后地面上轮胎印的长度来衡量汽车的刹车系统是否合格。显然，如果刹车不灵，留在地面上的轮胎印迹就长，如果刹车系统效果好，留在地面上的轮胎印就会很短。
那么，为什么没有摩擦力汽车也无法开动呢？
我们已经注意到汽车轮胎表面有与运动鞋底一样的增加防滑功能的起伏的花纹。这些花纹不只是用来刹车时增加与地面的摩擦力，也是汽车运行中保证汽车发动机的动力通过轮子转换成前进力的关键。
我们可以做一个实验：在结冰的路面上，将一辆汽车的轮子换成光滑没有花纹的硬塑料轮，然后发动汽车，看是否可以开动起来。答案是很明显的，这辆车无法开动。无论你如何踩油门，车轮在原地飞转，但车子就是不动。不要说换成光滑的没有花纹的车轮，就是使用平常标准车胎的汽车，下雪天陷在泥坑里开动不了的情况也经常发生。因此，下雪天行驶的汽车，给车胎装上防滑链，就是为了增加车轮与地面的摩擦力。
现在我们清楚了，滚动的轮子要与地面保持一定的摩擦力，才可以将滚动的力量转换成一部分前进的力量，没有摩擦力或者摩擦力太小，都不可能将滚动的力转换成足够的牵引力，汽车也就不会向前开动。
尽管摩擦是一种极为普遍的现象，但是人们却并没有认识到我们日常生活与摩擦力有着重要的关系，或者说没有意识到我们的实际生活是离不开摩擦力的。例如，要抓住物体，需要摩擦力，打了肥皂的手就很难抓紧物体；机械传动的皮带需要摩擦力，否则皮带会打滑；铁钉能钉牢在墙上，也要靠摩擦等。当然，摩擦力也会给我们的日常生活带来麻烦。例如，机器开动时，滑动部件之间因摩擦而浪费动力，还会使机器的部件磨损，缩短寿命。我们这时希望地球上从来就没有摩擦力，但如果真的没有摩擦力，人们的生活又会发生什么样的变化呢？
首先，也是最基本的，我们无法行动，这在前面已经用陷在雪天泥地的汽车做了证明。那是一种摩擦力减小的状态，还不是没有摩擦力的状态。如果没有了摩擦力，如脚与地面没有了摩擦力，人们简直寸步难行；自行车、汽车等所有的车轮与地面间没有了摩擦力，只有打滑而没有任何移动；而已经运动着的车子却停不下来，没有阻碍它运动的力，就只能无限滑下去，最后与其他车相撞造成一起又一起的交通事故。即使是飞机（无论是活塞发动机还是涡轮喷气发动机），也都会因为没有摩擦力而无法起飞。
没有了摩擦力，我们也无法拿起任何东西（我们能拿东西靠的就是摩擦力），想写字却拿不起笔，笔又不能和纸产生摩擦而写出字；想吃饭碗筷却拿不住，筷子怎么也夹不住菜；想喝水又提不起杯子；想穿衣服却拿不起、穿不上；想工作劳动，但任何工具都一次次从手上滑落……如果没有了摩擦力，人类会多么无助。如果没有了摩擦力，那么以后我们就再也不能够欣赏美妙的用小提琴演奏的音乐，因为弓和弦的摩擦力产生振动才发出了声音。总之，假如没有摩擦力的存在，那么人们的衣、食、住、行都很难解决。可见有时看来是有害的摩擦力，却是人类生存必不可少的一种自然力。
1.3.4 合理利用摩擦力
摩擦力是运动中普遍存在的一种力，并且有利有弊，那么如何合理利用摩擦力就很重要了。
生活中，利用和克服摩擦力的例子比比皆是。
例如，我们穿的运动鞋的鞋底，为了防滑，就做成了凸凹不平的形状，以增加与地面的摩擦力。防滑地砖、自行车和汽车的外胎，都是采取了利用摩擦力防止打滑的措施。所有交通工具的刹车系统，都是利用摩擦力的性质来通过不断减速达到停止运动的目的。
但也有很多时候摩擦力是有害的，这时就要千方百计地减少它的影响。例如，所有轮式旋转的轮与轴之间，都安装有轴承，就是为了将车轮与轴之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而降低轴与轮子之间的摩擦力，使车子跑起来更轻松。为了进一步降低摩擦力，人们还会在轴承中添加一些润滑油，使滚动摩擦力变得更小。这可以说是生活和生产中常见的现象。
有害的摩擦力如果不采取一定的措施加以防范，就会带来危害。仍然以轮子的运动为例，如果车轮与轴的摩擦不加以防范，随着运动时间的延长，摩擦力会磨损轴而改变轴的尺寸，而使摩擦力进一步增加，摩擦部位也会产生高热量，严重时会使轴的承重能力急剧下降而发生断裂。公路上有时发生载重汽车的轮胎爆胎或起火，多数也是因为轮胎与地面摩擦时间过长而产生高热量引起的。
还可以举出很多利用摩擦力的例子。例如，走路时穿鞋底带花纹的鞋，在传送皮带上涂上皮带蜡，雪天在路面铺灰渣等，都是为了增大摩擦力。而给机器上安装带珠子的滚动轴承，并涂抺些润滑油；在地上拉重物时，在物体下面放上圆木棍等，都是为了减少摩擦力。
不只是在日常生活中，在军事上也有利用摩擦力的例子。例如，有人提出研制一种所谓“超润滑材料”，这种材料用在摩擦磨损部位，可以大大减少摩擦的危害。如果一旦将它用到军事上，把这种超润滑材料撒到敌方的公路上、铁路的铁轨上和飞机起飞的跑道上，使对方的战车、运兵车、火车无法运行，飞机不能起飞，军用物资无法运送，就能以这种非杀伤的方式取得战争的胜利。这不是科学幻想，这种超润滑材料无论在理论上还是在实践中都已经存在了。
例如，纳米润滑材料就属于一种超润滑材料。当普通材料加工到纳米尺寸时，材料就会具有纳米特性，具有纳米特性的材料才叫纳米材料。在润滑产品中加入了一定量的纳米材料，可以制成纳米润滑材料。
用于润滑的纳米材料一般具有的纳米特性有清洗特性、分散特性、高吸附特性、高渗透特性、大表面积特性、抗摩擦特性、抗挤压特性等。不同的纳米材料具有的纳米特性不同，同一种纳米材料，纳米特性也随着纳米尺寸的不同而各有侧重，颗粒、纳米纤维、纳米薄膜等不同纳米形态的材料具有不同的摩擦学性能，而以软金属、氧化物、稀土化合物、聚合物和硫化物纳米颗粒作为润滑添加剂的润滑性能极为突出。
1.3.5 地球所受到的力
在了解了关于地球和力的一些知识以后，我们不禁会问，既然运动是力作用的一种状态，那么地球受到了哪些力的作用呢？它会因为摩擦力而停下来吗？
幸好，宇宙空间是处在真空状态的。地球带着自己的大气层一起在真空中运行，没有“物质”与之产生摩擦，因此，我们可以很放心地说，地球不会停下来。
但是，这不等于说地球没有受到各种力的影响。并且这里所说的各种力还不只是指万有引力。
科学家仍然发现了一些迹象，表明地球实际上不像我们原来所想的那样永远按恒定的速度匀速自转和公转。
细心的科学家通过一些间接的证据，发现地球的自转数和公转速度并不是完全固定的。这是怎么回事呢？
在海洋中有一种珊瑚虫，它的生长过程和树木的年轮相似。珊瑚虫每天有一个生长层，夏日的生长层宽，冬日的生长层窄。古生物学家通过对珊瑚虫体壁的研究，识别出现代珊瑚虫体壁有365层，正好是一年的天数。但是，距现在3.6万年前的珊瑚虫化石的年轮则为480层，也就是说，3.6万年前的一年是480天。按此进行推算，13亿年前，一年为507天。这说明地球在环绕太阳的公转过程中，其自转的速度正在变慢。
令人困惑的是，科学家同时也发现了相反的证据。
这要从一种叫作“鹦鹉螺”的软体动物说起。鹦鹉螺在古生代几乎遍布全球，但现在基本绝迹了，只是在南太平洋的深海里还存在着6种鹦鹉螺。在这种动物的外壳上，有许多细小的生长线，每隔1昼夜出现1条，满30条就有1层膜包裹起来形成1个气室。每个气室内的生长线数正好是现在的1个月天数。也就是说，这种动物有很好的日历同步性，与前面所说的珊瑚虫有异曲同工之妙。古生物学家又对不同时代地层中的鹦鹉螺化石进行分析，发现3000万年前，每个气室内有26条生长线。7000万年前为22条；1.8亿年前为18条；3.1亿年前为15条；到4.2亿年前就只有9条了。因而，有些科学家认为，地球随着年龄的增加，其自转速度正在加快。
但是，发现这个规律的科学家当时的解读完全不同。
1996年，《中国剪报》上转载了一篇文章，讲述了鹦鹉螺化石的故事：“最近，美国两位地理学家根据对鹦鹉螺化石的研究，提出了一个极为大胆的见解，月亮在离我们远去，它将越来越暗。这两位科学家观察了现存的几种鹦鹉螺，发现贝壳上的波状螺纹具有树木一样的性能。螺纹分许多隔，虽宽窄不同，但每隔上的细小波状生长线在30条左右，与现代1个朔望日（中国农历的1个月）的天数完全相同。观察发现鹦鹉螺的波状生长线每天长1条，每月长1隔，这种特殊生长现象使两位地理学家得到极大的启发。他们观察了古鹦鹉螺化石，惊奇地发现，古鹦鹉螺的每隔生长线数随着化石年代的上溯而逐渐减少，而相同地质年代的却是固定不变的。研究显示，新生代渐新世的螺壳上，生长线是26条；中生代白垩纪是22条；中生代侏罗纪是18条；古生代石炭纪是15条；古生代奥陶纪是9条。由此推断，在距今42000多万年前的古生代奥陶纪时，月亮绕地球1周只有9天。地理学家又根据万有引力定律等物理原理，计算了那时月亮和地球之间的距离，得到的结果是，4亿多年前，距离仅为现在的43%。科学家对近3000年来有记录的月食现象进行了计算研究，结果与上述推理完全吻合，证明月亮正在（离开地球）远去。”
由于海洋受月球引力影响而产生的潮汐，可能对鹦鹉螺的生长也有影响，因此，鹦鹉螺化石中的生长线与月球有关比较可信，而不是与地球的自转有关。这样，说地球的自转变快了，也就没有了根据。而说地球以前自转比现在快，则是很有可能的。
那么，是哪些力的影响使地球的运动速度变慢的呢？地球自己有3个因素会影响自转，使自转的速度变慢。
第一，地球大气层与地球不可能完全保持刚性同步转动，导致大气层与地壳有相对运动，即大气层作为流体与刚性球体之间的转速会有所滞后，这将会对球体的转速产生微弱影响。
第二，地球表面积约70%为海洋所覆盖，而海水也是流体，且受到月球影响而每天都有潮汐运动。不幸的是，其运动方向刚好与地球自转的方向相反，这样，一个球体在向一个方向旋转时，表面约有70%的部分在向相反的方向运动，这个球体的转速当然会有所减慢。
第三，随着岁月的流逝，地球在老化中，不是山脉在风化、变矮，就是大气变暖带来的冰川融化，也会使地球的直径有所缩小，质量有所减少，使地球围绕太阳旋转的半径增大，周期延长，也就意味着公转的速度变慢。
如果通过测量能得到地球转速的准确数据，那么所有的猜测就找到了依据。
1.3.6 地球转速与时间的关系
提到地球转速，一定要说到时间，因为地球转速是确定时间的基本参照物。以自转1圈为1天，以公转1圈为1年，由此细分出小时、分钟和秒等。
我们所说的地球转速指的是角速度，并且以单位时间的转数来表示，这样就可以通过测量1转的时间来比较转速的变化。
钟表的发明，使人们可以准确地记录时间。而石英钟的发明，使人们能更准确地测量和记录时间。但是这些时钟用来研究天文学中的记时，还是显得不够精确，现在已经用原子钟来替代格林威治标准时间，以适应信息化时代对时间计量的新要求。
现代铯原子钟（最普通的类型）可实现的长期精度高于每100万年误差1秒。氢原子钟的短期（1周）精度更高，大约是铯原子钟精度的10倍。因此，与通过天文学技术进行的时间计量相比，原子钟将这种计量的精度提高了约100万倍。
通过原子钟记时观测日地的相对运动，发现在1年内地球自转存在着时快时慢的周期性变化：春季自转变慢，秋季加快。
我们知道地球是以24小时1转为1天的时间的，但精确地测量下来，地球自转周期是23小时56分4秒。由于地球自转速度一直在减慢，1998年12月31日最后1分钟增加了1个闰秒，这是自1972年原子钟指定为国际计时系统以来增加的第22个闰秒，前一次加秒发生在1997年6月30日最后1分钟，大约每8个月到两年半便要增加1个闰秒，26年来地球已不知不觉地慢了22秒，平均每年增加0.85个闰秒。闰秒虽然对老百姓的日常生活影响不是十分明显，但它对以精密时间为尺度进行科学研究、实验和生产的用户却关系重大。
科学家经过长期观测认为，引起这种周期性变化的原因与地球上的大气和冰的季节性变化有关。此外，地球内部物质的运动，如重元素下沉、向地心集中，轻元素上浮，岩浆喷发等，都会影响地球的自转速度。
除了地球的自转外，地球的公转也不是匀速运动。这是因为地球公转的轨道是一个椭圆，最远点与最近点相差约500万千米。当地球从远日点向近日点运动时，离太阳越近，受太阳引力的作用越强，速度越快。由近日点到远日点时则相反，运行速度减慢。
还有，地球自转轴与公转轨道并不垂直；地轴也并不稳定，而是像一个陀螺在地球轨道面上做圆锥形的旋转运动。地轴的两端并非始终如一地指向天空中的某一个方向，如北极点，而是围绕着这个点不规则地画着圆圈。地轴指向的这种不规则，是地球的运动所造成的。
科学家还发现，地球运动时，地轴在空中画的圆圈并不规整。就是说，地轴不是沿圆周移动，而是在圆周以外做周期性的摆动，摆幅为9.地球的这种轴向摆动使地球各部位接受阳光照射的时间也产生波动，这也是地球气候冷暖发生周期性变化的原因之一。
地球的这些运动中的微小波动，是在以太阳引力为主的作用下，与其他几个邻近地球的行星（金星和火星）和月球的相互引力作用下，加上地球自身状态的呼应下，共同形成的。
由此可以看出，地球的公转和自转是许多复杂运动的组合，而不是简单的线速运动或角速运动。地球在这漫长的岁月中，摇摇摆摆地围绕太阳运动着，同时也颤颤巍巍地自己旋转着，承载着地球上几十亿人的命运，继续在宇宙中旅行。
因为地球除了自转和公转外，还随太阳系一同围绕银河系运动，并随着银河系在宇宙中飞驰。地球在宇宙中运动不息，是从它形成之日起就开始了的，几十亿年下来，总体上看似一如既往，实际上却发生着微妙的变化。包括地球上分子的演化，从无机到有机，从低分子到大分子，从有机到生命，从低级生命到高级生命，从动物到人类，这一过程仍在顽强地进行中，不会轻易停止。
还有一个问题，也是人们会想到的，那就是地球运动需要消耗能量吗？如果需要能量，这么漫长的时间，地球所消耗的能量又是从何而来的？如果不需消耗能量，那它是“永动机”吗？
回答是肯定的，地球的运动需要能量。
1.3.7 能量来自何方
本书开头所讲的让地球停下来的故事，虽然是一种可笑的虚构，但却不能不让人对运动力学留下深刻的印象。实际上，人们关心的不仅仅是地球上的运动，还关心地球本身的运动。而地球的运动，只是整个宇宙和天体运动的一个部分，这个运动从宇宙大爆炸的那一刻就开始了，并且一直到今天都没有停止，也不可能停止。对于宇宙来说，运动就是一切，静止是相对的，运动是绝对的。但是，要维持无边无际的宇宙中所有天体的持续的高速运动，需要多大的能量？
早在20世纪30年代，天文学家就发现，为了使宇宙中的星系团都保持高速运动，并且不发生崩溃，它们所拥有的质量必须比科学家们实际所观测到的质量大得多。为了解释这一现象，天文学家认为宇宙中一定有一种物质，可以向运动中的天体提供能量，只是人们很难发现它们。天体物理学家由此提出了暗物质理论。
这个概念超出了我们常识中关于物质的认识，需要发挥一下想象力来理解。
1.3.8 暗物质
根据暗物质理论，这种看不见的物质是由一些微小的并且是不可见的基本粒子构成的。这些粒子与其他物质之间具有非常弱的相互作用，它们自身有一定的质量，所以又被称作“弱相互作用有质量粒子”。天文学家们普遍相信充满宇宙星系团的主体是由这些探测不到，但又具有质量的暗物质构成的，这也就是为什么所探测到的星云的质量，比星系团真正应该拥有的质量小得多的原因。暗物质不仅仅存在于遥远的星系团中，而且弥漫在我们整个的生存空间。在20世纪末，有科学家估计暗物质的质量占整个宇宙的73%左右。
尽管还没有真正探测到暗物质，但当代科学家基本上都接受了暗物质的概念。因为它能合理地解释一些令人迷惑不解的宇宙难题。这就如当初提出宇宙大爆炸理论一样，之后红移现象的发现，证实了宇宙起源于大爆炸是一种可以接受的合理解释。
现在，宇宙中的天体仍然在高速远离爆炸中心而去，同时星体之间也在由引力维持着运行的平衡。因此，地球是不可能停下来的。不仅地球停不下来，所有的星球都停不下来。一个巨大的力场充斥在宇宙中。这里提到的力场，或者说引力场，其传递力能的媒介物就是暗物质。
那么什么是暗物质呢？
其实学过物理学的都对场论有所了解。物理学中的场，通俗地说是一个空间，一个“场所”，但也是一种力源，如电场、磁场、光场等。当我们将场理解为力源时，也就容易理解暗物质的概念了。我们可以说暗物质是构成引力场的物质，就如电子和磁流子是构成电场和磁场的物质，光子是构成光场（区）的物质一样。处在充满暗物质的宇宙中的星球之间的引力平衡，正是由引力场维系的，也就是由暗物质维系的。
当然，这种说法有待于进一步的证明。但暗物质构成引力场是一种可以接受的假设。有兴趣的读者如果持续关注这个课题，并进行深入的探讨和研究，通过对宇宙天体的观测和创新思维，也许可以提出更为合理的解释，诞生新的天体力学理论。
另一种可以证明暗物质存在的物质恰恰是它的相反的物质——光子。光子被认为是没有质量但有能量的微粒。
1905年，年轻的爱因斯坦发展了普朗克的量子说。他认为，电磁波是一份一份不连续的，无论是在原子发射和吸收它们的时候，还是在传播过程中都是这样。爱因斯坦称它们为“光量子”，简称“光子”，并用光量子说解释了光电效应（这成为爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖的主要理由）。此后，康普顿散射实验进一步证实了光的粒子性。它表明，光不仅在吸收和发射时，而且在弹性碰撞时也具有粒子性，是既有能量又有动量的粒子。如此，光就既具有波动性（电磁波），也具有粒子性（光子），即具有波粒二象性。后来，德布罗意又将波粒二象性推广到了所有的微观粒子。
光子具有能量E=hν和动量p=hν/c，是自旋为1的玻色子。它是电磁场的量子，是传递电磁相互作用的传播子。原子中的电子在发生能级跃迁时，会发射或吸收能量等于其能级差的光子。正反粒子相遇时将发生湮灭，转化成为几个光子。光子本身不带电，它的反粒子就是它自己。光子的静止质量为零，在真空中永远以光速c运动，而与观察者的运动状态无关。光速不变具有特殊的重要性，并成为建立狭义相对论的两个基本原理之一。
以上关于光子的这些结论基本上是被公认的，特别是关于光子静止质量为零的结论，这关系到光速是速度的极限的结论。另一个关于光子的反物质就是它自己则完全是一种假设。但是，也有人认为光子是有静止质量的，尽管其质量非常小，小到几乎可以忽略不计。而一旦证明光子有静止质量，宇宙物理学就将会有一些新的结论出现，或许一些曾经的难题就有了新解。
被认为没有质量但有动量（或者说能量）的光子，参与了宇宙的所有活动，只要有它出现的地方，就会有能量的传递或转换。在物质结构的微观世界和浩瀚宇宙中都有光子的身影。但是，如果光子被证明有静止质量，则以前认为光子的反物质仍然是光子的观点就也是错的，这时只有一种可能，就是光子的反物质应该是暗物质，我们不妨将其叫作暗子。这样一来，有微观质量和暗能量而以看不见的场的方式出现的暗子，就完成了微观世界能量的传递与转换，与光子形成了一对一明一暗的姊妹。
2003年2月28日出版的美国《物理学评论快报》（hysical Review Letters）上有专文介绍说：“一项由中国科学家罗俊等完成的新的实验表明，在任何情况下，光子的静止质量都不会超过10-54千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20.”华中科技大学的罗俊教授和他的同事通过一种新颖的实验方法，将光子静止质量的上限，进一步提高了至少一个数量级。
据说，如果光子存在静止质量，虽然不会影响到人们的日常生活，但其产生的后果将是根本性的。例如，光速将随波长的改变而变化，并且光波将像声波一样能够产生纵向振动。
由这一重要的实验结果得出的结论未必准确。这一结果的正确解读是找到了光子的反物质应该是暗物质的证明，从而对引力场是由暗物质组成的这一结论提供了实验支持，同时也合理地解释了光子受引力场影响的原因。
关于光子的反物质是暗物质（即暗子）的构想是一个全新的微观物质结构判断，还没有获得普遍的承认和证实。难以获得认同的原因之一是光子与暗子能量的不对称性，但这也并非是一个绝对的障碍。从电子的反物质——正电子的存在的事实来看，正电子的量与电子也是极不对称的。有关这方面的探索仍将继续，宏观宇宙的秩序原来与微观物质的结构有着千丝万缕的联系，这在以前是不可想象的，现在则已经是宇宙学普遍的共识了。
