深度長文：為什么光在所有參照系下都保持不變？（建議收藏）

簡單回答：我們也不知道為什么，大自然就是這樣的。

說白了，光速不變，不隨參照系發生改變，就是一個假設，假設，假設！

重要的事情說三遍。

是愛因斯坦把“光速不變原理”當做一個基本假設，加上另外一個“狹義相對性原理”，在這兩個假設的基礎上，提出了著名的狹義相對論。

所以，不要用試圖用狹義相對論去詮釋為什么光速不變，因為光速不變是因，狹義相對論才是果，我們怎么可能用結果去反推原因呢？不要弄反了！

既然人們并不知道光速為什么不變，是不是就沒有必要再去討論題目中的問題了？

當然不是，如果問題到此就戛然而止，作為科普工作，也太失敗了。雖然我們并不知道為什么光速不變，但起碼需要了解愛因斯坦為什么會提出“光速不變”這個假設。

當然，愛因斯坦絕不是“拍腦門”隨便想出來的“光速不變”，過程是相當漫長的，也充滿了曲折，同時更需要有扎實的物理學知識作為背景，否則腦洞再大也很難提出“光速不變”這個如此大膽甚至“大逆不道”的假設。

為什么光速不變“大逆不道”呢？

原因很簡單，光速不變實在太違背人們的日常生活經驗了。日常生活中我們知道，速度都是相對的，必須有參照系，否則速度就失去了意義。

而我們平時所講的速度基本上都是默認地面為參照系，因此也沒必要特意強調出來。比如說高速公路限速120公里，這個速度就是以地面為參照系。

你在現實中能找到一個沒有參照系的速度嗎？顯然找不到。

愛因斯坦提出相對論之前的物理學界也是這么認為的，沒有任何速度是絕對的，必須有參照系才有意義。

但是光速的橫空出世，給了當時的物理學界當頭一棒。我們知道，麥克斯韋統一了電和磁，而偉大的麥克斯韋方程組可以推導出光速的計算公式。

通過公式可以看出，光速只與真空的磁導率和介電常數有關，并沒有提到任何參照系。言外之意，這個公式暗示著在參照系下，真空中的光速都保持絕對不變。

當時的物理學界意識到這一點的時候，無不驚呼：這怎么可能？完全不可能！

因為如果光速真的不需要參照系，保持絕對不變的話，意味著之前物理學家們辛辛苦苦幾百年建立起來的物理學體系將會轟然倒塌，尤其是早就被世人奉為“神明”的牛頓經典力學，也會被推翻。

為什么？

因為牛頓經典力學是以絕對時空觀為背景的，具體來講就是以伽利略提出的相對運動為基礎，任何運動都是相對的。如果光的運動是絕對的，那么很顯然牛頓經典力學的基礎就沒有說服力了。

怎么辦呢？當時的物理學界大佬不可能眼睜睜地看著物理學大廈就這樣被推翻，但也不可能因此得罪麥克斯韋方程組，畢竟這個方程組如此美妙，甚至堪稱人類歷史最優美最偉大的方程。

結果，物理學界大佬只能選擇一個中庸的方法，盡量協調牛頓經典力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾。

而以太的概念就是這種背景下出現的。物理學家們把“以太”定義為光速的參照系，也是絕對靜止的參照系。

也就是說，物理學界仍舊認為時空是絕對的，而“以太”可以理解為相對絕對時空靜止的物質。這種物質遍布整個宇宙空間，只是我們看不到也摸不著。

說白了，以太也是一個假設的概念。不過假設其實也沒什么，科學的發展本來就是“大膽假設，小心求證”，接下來物理學家們只需要找到以太存在的證據，一切都萬事大吉了。

物理學界大佬們當然也是這么做的，這才有了后來著名的“邁克爾遜莫雷實驗”，實驗的目的很單純，就是為了尋找以太。

但結果大家都知道了，根本找不到以太存在的證據。既然以太不存在，不就是表明光速真的是不變了嗎？

如今確實有很多人是這樣想的，認為邁克爾遜莫雷實驗證明了光速不變，其實不然。

一方面，邁克爾遜和莫雷兩人打死也不敢接受光速不變，他們寧愿相信實驗過程出了差錯或者實驗儀器不夠精密，才導致了找不到以太存在的證據。這是可以理解的，我們不能用現在的眼光去衡量當時的物理學時代。事實上不僅是邁克爾遜和莫雷，幾乎所有的物理學大佬都不相信以太不存在，因為他們知道，如果以太真的不存在意味著什么。說白了，當時幾乎所有的物理學界大佬本能地排斥任何有可能推翻物理學大廈的思想！

另一方面，找不到以太存在的證據，也真的不能說明光速真的不變，因為以太的概念本來就是假設的，即便以太不存在，還可能存在其他東西來詮釋光速的特殊性。總之就是，邁克爾遜莫雷實驗只能證明以太不存在，但并沒有證明光速不變。如果真的證明了，根本就沒有愛因斯坦什么事了。

而如今很多人認為的“邁克爾遜莫雷實驗證明了光速不變”實際上是以現代的物理學為標準，是以“上帝視角”去衡量當時的物理學時代，這顯然是不妥的。

邁克爾遜莫雷實驗之后，很多物理學大佬也做了類似的實驗，結果都表明以太真的不存在。按道理講，事情到這里應該很簡單了：既然以太不存在，干脆就接受光速不變好了。

但事情遠沒有想象得那么簡單，我們低估了統治物理學界幾百年的牛頓經典力學在當時物理學界的地位。即便當時的物理學界大佬知道了以太不存在，但仍舊沒有放棄尋找其他方式來協調牛頓經典力學和麥克斯韋方程組之間的矛盾，但就是不愿意接受“光速不變”。

洛倫茲提出了著名的洛倫茲變換，認為運動的物體尺寸會縮短，用這種現象試圖詮釋光速的特殊性，而洛倫茲的思想仍舊沒有擺脫絕對時空觀的束縛。

終于，物理學界大佬愛因斯坦登場了。愛因斯坦對麥克斯非常崇拜，尤其是鐘情于優雅的麥克斯韋方程組，從麥克斯韋方程組推導出來的光速計算公式中得到了極大的啟發，尤其是在其他物理學大佬為尋找以太存在的證據，或者為調和牛頓經典力學和麥克斯韋方程組之間矛盾忙得不可開交的時候，愛因斯坦果斷地用“奧卡姆剃刀”直接把“以太”切除了。

愛因斯坦認為：既然所有的實驗都表明以太真的不存在，干嘛還要如此執著地尋找呢？直接接受“光速不變”不好嗎？這樣的話，一切都變得簡單明了！

愛因斯坦把“光速不變”當做一個基本假設，再加上“狹義相對論原理”，在兩個假設的基礎上，狹義相對論問世了。

但是等等，剛剛不是說“如果光速不變，就意味著牛頓經典力學就轟然倒塌了嗎？”

實際上，說“倒塌”就嚴重了。我們需要明白科學的本質，就是可證偽性。科學的這種特性就意味著任何科學理論都有局限性，都存在隨時“被證偽”的可能性。而科學的發展正是不斷突破人類認知局限性的過程。

牛頓固然偉大，但他也有認知的局限性，這是時代的局限性，任何人都無法突破。剛才說了，牛頓經典力學是建立在絕對時空觀基礎上的。而愛因斯坦提出了新的時空觀，也就是相對時空觀。

也就是說，我們所在的四維時空并不是絕對的，時間和空間是相對的，有彈性的。只不過時空的這種彈性只有在速度非常快，接近光速時才會明顯體現出來。而我們日常生活中經歷的速度與光速相比實在太小了，因此時空的相對性完全體現不出來，用牛頓的絕對時空觀仍舊能很好描述我們的日常運動，這也是為什么如今統治我們日常生活的仍舊是牛頓經典力學，而不是相對論。

說白了，牛頓經典力學只是相對論在低速低引力狀態下的近似值，但即便是近似值，對于我們來講也足夠精確了。更何況牛頓經典力學足夠簡單，而相對論下的引力場方程顯得太復雜了！

所以，牛頓經典力學錯了嗎？嚴格來講確實錯了，但誰會這樣說呢？剛才也反復強調了，科學理論的發展就是不斷突破各種局限性的過程，牛頓經典力學只是適用范圍有限罷了，并不能說“牛頓經典力學”就是錯的。

就好比愛因斯坦的相對論在面對黑洞時，同樣會失效，又有誰會因此說“相對論錯了”呢？同樣的道理，即便將來人類發現了更高級的物理定律能夠詮釋黑洞，也不能說相對論就錯了，只是適用范圍有限罷了。

這就是光速不變的前世今生。

總結

還是那句話，光速為什么不變？沒有理由，起碼目前我們找不到理由，大自然就是這樣的。這也是為什么我經常會講“光速不變不僅僅是假設，其實也是公理”，而公理就不需要理由，只需要你相信或者不相信。

公理通常會有兩種，第一種是符合我們日常生活經驗的，比如說“兩點之間線段最短”。還有一種并不符合我們的日常生活經驗，比如說“光速不變”。

不符合我們的日常生活經驗，并不代表公理就是錯的，原因很簡單：我們一直被束縛在地球這個狹小的范圍內，日常生活經驗肯定是有很大局限性的。如果我們的日常生活經驗與科學實驗相悖，當然要以實驗結果為準，而光速不變卻是經得起實驗的驗證。

完！