何為光速不變原理？

我們都知道，光在真空中的速度是每秒30萬公里，很多人認(rèn)為這就是“光速不變”。其實(shí)不然，光速不變指的是“真空中的光速對任何觀察者來說都保持不變”。

在愛因斯坦的狹義相對論里，光速不變指的是，在任何慣性系下，光的傳播速度都是一個常數(shù)，不會隨光源的運(yùn)動或者觀察者所在的參照系的變化而發(fā)生改變。

下面來舉例具體說明。

日常生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，任何運(yùn)動速度必須有參照系才有意義，就比如我們平常所講的速度，基本上都默認(rèn)地面為參照系。

還有，速度都是相對的，不同的參照系下，一個物體的速度也是不同的。這種現(xiàn)象在我們?nèi)粘Ｉ钪泻艹Ｒ?，最明顯的例子，你和朋友乘坐一輛小汽車在高速公路上行駛，汽車時速是100公里，我靜止在地面上。

在我眼里，你的時速當(dāng)然就是100公里，但是在你朋友眼里，你的速度為零，你是靜止的。

那么，有沒有什么物體的運(yùn)動與參照系的選擇沒有任何關(guān)系呢？也就是說，不管你在什么運(yùn)動狀態(tài)下，在什么參照系下測量，測量出來的結(jié)果都是一樣的？

真的存在這樣的物體，它就是光。光的速度不會因參照系的不同而發(fā)生改變。舉個例子來說明光速不變。

有一列火車，速度為V，你在火車車廂頂部，手里拿著手電筒，打開手電筒，一束光發(fā)射出去。我靜止在地面上。

在你眼里，那束光的速度是多少呢？很顯然就是光速C。因?yàn)槭蛛娡埠湍阋黄痣S著火車運(yùn)動。

那么在我眼里，那束光的速度是多少呢？按照我們平時用到的速度疊加公式，應(yīng)該是光的速度加上火車速度，也就是C+V。

但其實(shí)并不是C+V，而仍舊是光速C，這就是光速不變原理，光的速度不會因?yàn)槿魏挝矬w運(yùn)動狀態(tài)的改變以及參照系的選擇而發(fā)生改變，也就是說：光速是絕對的，不需要參照系?；蛘哒f光速在任何參照系下都保持不變。

光就是如此霸道，不管你是靜止還是運(yùn)動，不管你的運(yùn)動速度有多快，光都會以光速超過你。即便你以0.9倍光速追趕一束光，這束光在你眼里仍舊以光速飛行。

這完全違背了我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，竟然存在絕對的速度。但事實(shí)確實(shí)如此，而且麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速計(jì)算公式中，光速也是一個常數(shù)，公式中并沒有提到任何參照系。

光速不變看起來很簡單，不過物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并接受光速不變卻是一個相當(dāng)復(fù)雜漫長的過程，為什么？

因?yàn)楣馑俨蛔円馕吨馑偈墙^對的，與參照系的選擇無關(guān)，而光速的這種特性給剛剛建立起來的物理學(xué)大廈帶來了致命沖擊，甚至意味著物理學(xué)大廈要轟然倒塌，這讓當(dāng)時的物理學(xué)大佬很頭疼，更難以接受。

在愛因斯坦提出相對論之前，物體的相對運(yùn)動理論是物理學(xué)的基礎(chǔ)，包括牛頓經(jīng)典力學(xué)在內(nèi)的所有運(yùn)動理論都是建立在相對運(yùn)動基礎(chǔ)上的，而相對運(yùn)動理論又是以絕對時空觀為背景的。

相對運(yùn)動理論非常符合人們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)時的物理學(xué)界大佬也堅(jiān)信以相對運(yùn)動理論為基礎(chǔ)，具體來講，以牛頓經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，物理學(xué)大廈已經(jīng)建設(shè)得差不多了，剩下的只需要小修小補(bǔ)就行了。

沒想到“光速不變”橫空出世，猶如一顆炸彈，引爆了當(dāng)時的物流學(xué)界。麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速是一個常數(shù)，沒有參照系，這并不符合相對運(yùn)動?？雌饋睇溈怂鬼f方程組與牛頓經(jīng)典力學(xué)似乎出現(xiàn)了矛盾，如何化解兩者之間的矛盾呢？

牛頓經(jīng)典力學(xué)統(tǒng)治了物理學(xué)界幾百年，早就被人們奉為神明，但麥克斯韋方程組也不是吃素的，同樣偉大，統(tǒng)一了電和磁，堪稱人類歷史上最偉大的方程。當(dāng)時的物理學(xué)家們誰都不敢得罪，于是就用了一個“中庸”的方式協(xié)調(diào)兩者之間的矛盾。

說是“協(xié)調(diào)”，其實(shí)下意識里還是支持“牛頓經(jīng)典力學(xué)”，因?yàn)楫?dāng)時的物理學(xué)家協(xié)調(diào)的方式還是讓“光速不變”遵循牛頓經(jīng)典力學(xué)，而不是讓經(jīng)典力學(xué)遵循“光速不變”。

也能夠理解當(dāng)時物理學(xué)家的做法，畢竟對于統(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的牛頓經(jīng)典力學(xué)，不是說推翻就能推翻的。如果牛頓經(jīng)典力學(xué)被推翻了，意味著幾乎所有的物理學(xué)理論都要重來。（如今我們知道，光速不變不能算是推翻牛頓經(jīng)典力學(xué)，只是牛頓經(jīng)典力學(xué)的適用范圍有限罷了）

當(dāng)時的物理學(xué)家們是這樣想的，宇宙浩瀚的空間就像一個很大的空箱子，箱子里裝著很多東西，就是我們平時看到的萬事萬物，比如說行星，恒星，黑洞，星際云等等物質(zhì)，所有這些物質(zhì)都分布在箱子的不同角落里。

箱子里的所有東西相對箱子靜止！

實(shí)際上，這個“箱子”就是物理學(xué)家眼里的“絕對空間”，絕對靜止的參照系。之所以是“絕對靜止”的，因?yàn)橛钪婵臻g的存在與空間里的東西沒有任何關(guān)系，不依賴?yán)锩娴臇|西而存在。即便是空間里的行星恒星等東西都不存在，空間也是存在的，只是一個“空”的宇宙罷了。

這就像是我們數(shù)學(xué)課上畫一個坐標(biāo)，即使坐標(biāo)上沒有任何點(diǎn)，但坐標(biāo)仍舊是存在的。

這里就有一個問題：空間里的哪些物體相對空間本身靜止？如果我們能找到這個“絕對靜止”的物體，自然就證明了絕對空間。然后利用這個絕對靜止的物體為參照系，就可以描述其他物體的具體運(yùn)動狀態(tài)了。

當(dāng)時的物理學(xué)界大佬并沒有找到這樣的物體，于是假設(shè)“以太”就是這種“絕對靜止”的物質(zhì)，并提出光的傳播介質(zhì)就是以太，光相對以太以光速傳播，以太充滿了宇宙每個角落，同時具有完全透明，剛性，沒有質(zhì)量。

最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，以太就是相對絕對空間靜止的物質(zhì)。

既然以太是絕對靜止的，那么當(dāng)物體運(yùn)動時，比如說地球的運(yùn)動就會迎面吹過來一陣“以太風(fēng)”，就像我們在跑步時，即使當(dāng)時沒有風(fēng)，我們也會感覺靜止的空氣迎面吹來。

于是，我們就可以通過這種方式測量出以太風(fēng)的速度，這個速度其實(shí)就是地球在空間中的絕對速度。

但是科學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，絕非兒戲。以太的概念雖然看起來很完美，但畢竟它只是假設(shè)的概念，需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)來支撐，這也是科學(xué)上所謂的“大膽假設(shè)，小心求證”，物理學(xué)家們必須找到以太存在的證據(jù)，否則就以太的概念就沒有任何實(shí)際意義。

著名的邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)，目的就是尋找以太存在的證據(jù)，當(dāng)然物理學(xué)家們做了不止一次類似的實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果都表明：以太并不存在。

以太理論一下子陷入了僵局。如何打破這種僵局呢？

還得偉大的愛因斯坦出面，愛因斯坦提出，任何慣性參照系都是平等的，都是相對的，宇宙中并不存在絕對參照系。

這就是相對性原理。如果沒有絕對參照系，意味著以太就不存在，光速就是不變的，絕對的。于是，在相對性原理和光速不變原理的基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出了偉大的狹義相對論

但是，物理學(xué)界很多大佬并不能接受“沒有絕對參照系”這個事實(shí)，因?yàn)楣嫒绱说脑?，人類甚至不知道地球到底在宇宙中哪個位置，也不知道地球的運(yùn)動到底有多快。而這就意味著人類對任何物體的運(yùn)動狀態(tài)都是“無知”的，這種“無知”讓人們很沮喪。

不過，愛因斯坦有自己的思路。愛因斯坦之所以牛逼，就在于他不同尋常的思維方式。愛因斯坦不再用經(jīng)典的相對運(yùn)動去詮釋光速不變，直接把“光速不變”當(dāng)做一個基本假設(shè)，也可以認(rèn)為是公理。

既然“光速不變”也是假設(shè)，本質(zhì)上與“以太”的概念是一樣的，兩者都是假設(shè)。但不同的是，以太這個概念沒有找到任何存在的證據(jù)，而“光速不變”的證據(jù)十分充足，科學(xué)家通過很多實(shí)驗(yàn)都表明，光速確實(shí)是不變的。

而在光速不變和相對性原理基礎(chǔ)上建立起來的狹義相對論，經(jīng)過一百多年的不斷驗(yàn)證，至今都沒有發(fā)現(xiàn)相對論被證偽的情況，說明相對論是站得住腳的。

愛因斯坦的相對論推翻了之前統(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的絕對時空觀，是否意味著牛頓經(jīng)典力學(xué)就被推翻了呢？

并不是，相對論只是擴(kuò)大了牛頓經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，從低速世界擴(kuò)展到高速世界。而由于我們生活在低速世界，所以，如今統(tǒng)治我們生活的仍舊是牛頓經(jīng)典力學(xué)。

能夠看出，人類其實(shí)并不知道為什么“光速不變”，只是發(fā)現(xiàn)了“光速確實(shí)是不變的”這個事實(shí)而已。也就是說，對于光速不變，我們“自知其然不知其所以然”。

你也可以簡單認(rèn)為光速不變就是公理，無需證明，也沒有辦法最終證明，這是科學(xué)的可證偽性決定的。

總結(jié)

無法理解光速不變和相對論的伙伴們，基本上都是因?yàn)闆]有拋棄絕對空間概念，還在以經(jīng)典的相對運(yùn)動理論來思考問題。網(wǎng)絡(luò)上有很多人經(jīng)常提出各種假設(shè)，試圖完成超光速，從而推翻相對論，其實(shí)那些假設(shè)的本質(zhì)都是建立在絕對時空上的，比如說“在光速飛船上奔跑，是否超過了光速？”等等。

我想說的是，人類科學(xué)的發(fā)展很多時候依賴于我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，但由于我們只是生活在地球這個狹小的空間里，對世界的認(rèn)知一定存在很大的局限性，也造成我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)也會有局限性，也可能是不可靠的。

光速不變就是這樣，它不符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，但符合實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)然比我們的生活經(jīng)驗(yàn)更可靠。

完！