深度長文：什么是光速不變原理？光速為什么不變？

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，很多人認為這就是“光速不變”。其實不然，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，不會隨光源的運動或者觀察者所在的參照系的變化而發生改變。

下面來舉例具體說明。

日常生活經驗告訴我們，任何運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。這種現象在我們日常生活中很常見，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動與參照系的選擇沒有任何關系呢？也就是說，不管你在什么運動狀態下，在什么參照系下測量，測量出來的結果都是一樣的？

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。因為手電筒和你一起隨著火車運動。

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，應該是光的速度加上火車速度，也就是C+V。

但其實并不是C+V，而仍舊是光速C，這就是光速不變原理，光的速度不會因為任何物體運動狀態的改變以及參照系的選擇而發生改變，也就是說：光速是絕對的，不需要參照系。或者說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動，不管你的運動速度有多快，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驗，竟然存在絕對的速度。但事實確實如此，而且麥克斯韋方程組推導出來的光速計算公式中，光速也是一個常數，公式中并沒有提到任何參照系。

光速不變看起來很簡單，不過物理學家們發現并接受光速不變卻是一個相當復雜漫長的過程，為什么？

因為光速不變意味著光速是絕對的，與參照系的選擇無關，而光速的這種特性給剛剛建立起來的物理學大廈帶來了致命沖擊，甚至意味著物理學大廈要轟然倒塌，這讓當時的物理學大佬很頭疼，更難以接受。

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

相對運動理論非常符合人們的日常生活經驗，當時的物理學界大佬也堅信以相對運動理論基礎，具體來講，以牛頓經典力學為基礎，物理學大廈已經建設得差不多了，剩下的只需要小修小補就行了。

沒想到“光速不變”橫空出世，猶如一顆炸彈，引爆了當時的物流學界。麥克斯韋方程組推導出來的光速是一個常數，沒有參照系，這并不符合相對運動。看起來麥克斯韋方程組與牛頓經典力學似乎出現了矛盾，如何化解兩者之間的矛盾呢？

牛頓經典力學統治了物理學界幾百年，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，統一了電和磁，堪稱人類歷史上最偉大的方程。當時的物理學家們誰都不敢得罪，于是就用了一個“中庸”的方式協調兩者之間的矛盾。

說是“協調”，其實下意識里還是支持“牛頓經典力學”，因為當時的物理學家協調的方式還是讓“光速不變”遵循牛頓經典力學，而不是讓經典力學遵循“光速不變”。

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

當時的物理學家們是這樣想的，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，所有這些物質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！

實際上，這個“箱子”就是物理學家眼里的“絕對空間”，絕對靜止的參照系。之所以是“絕對靜止”的，因為宇宙空間的存在與空間里的東西沒有任何關系，不依賴里面的東西而存在。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。

這就像是我們數學課上畫一個坐標，即使坐標上沒有任何點，但坐標仍舊是存在的。

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動狀態了。

當時的物理學界大佬并沒有找到這樣的物體，于是假設“以太”就是這種“絕對靜止”的物質，并提出光的傳播介質就是以太，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，沒有質量。

最關鍵的一點是，以太就是相對絕對空間靜止的物質。

既然以太是絕對靜止的，那么當物體運動時，比如說地球的運動就會迎面吹過來一陣“以太風”，就像我們在跑步時，即使當時沒有風，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的速度，這個速度其實就是地球在空間中的絕對速度。

但是科學是嚴謹的，絕非兒戲。以太的概念雖然看起來很完美，但畢竟它只是假設的概念，需要實驗證據來支撐，這也是科學上所謂的“大膽假設，小心求證”，物理學家們必須找到以太存在的證據，否則就以太的概念就沒有任何實際意義。

著名的邁克爾遜莫雷實驗，目的就是尋找以太存在的證據，當然物理學家們做了不止一次類似的實驗，但結果都表明：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上，愛因斯坦提出了偉大的狹義相對論

但是，物理學界很多大佬并不能接受“沒有絕對參照系”這個事實，因為果真如此的話，人類甚至不知道地球到底在宇宙中哪個位置，也不知道地球的運動到底有多快。而這就意味著人類對任何物體的運動狀態都是“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。愛因斯坦不再用經典的相對運動去詮釋光速不變，直接把“光速不變”當做一個基本假設，也可以認為是公理。

既然“光速不變”也是假設，本質上與“以太”的概念是一樣的，兩者都是假設。但不同的是，以太這個概念沒有找到任何存在的證據，而“光速不變”的證據十分充足，科學家通過很多實驗都表明，光速確實是不變的。

而在光速不變和相對性原理基礎上建立起來的狹義相對論，經過一百多年的不斷驗證，至今都沒有發現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治物理學界幾百年的絕對時空觀，是否意味著牛頓經典力學就被推翻了呢？

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

能夠看出，人類其實并不知道為什么“光速不變”，只是發現了“光速確實是不變的”這個事實而已。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，這是科學的可證偽性決定的。

總結

無法理解光速不變和相對論的伙伴們，基本上都是因為沒有拋棄絕對空間概念，還在以經典的相對運動理論來思考問題。網絡上有很多人經常提出各種假設，試圖完成超光速，從而推翻相對論，其實那些假設的本質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，人類科學的發展很多時候依賴于我們的日常生活經驗，但由于我們只是生活在地球這個狹小的空間里，對世界的認知一定存在很大的局限性，也造成我們的日常生活經驗也會有局限性，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驗，但符合實驗的驗證結果，實驗結果當然比我們的生活經驗更可靠。

完！