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(fā)生改變，就是一個假設(shè)，假設(shè)，假設(shè)！

重要的事情說三遍。

是愛因斯坦把“光速不變原理”當(dāng)做一個基本假設(shè)，加上另外一個“狹義相對性原理”，在這兩個假設(shè)的基礎(chǔ)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(jié)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(dāng)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(shè)。

當(dāng)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(dāng)漫長的，也充滿了曲折，同時更需要有扎實的物理學(xué)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(shè)。

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(jīng)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(diào)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(xiàn)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(xué)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(dāng)時的物理學(xué)界當(dāng)頭一棒。我們知道，麥克斯韋統(tǒng)一了電和磁，而偉大的麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)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(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)，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(dāng)時的物理學(xué)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(xué)家們辛辛苦苦幾百年建立起來的物理學(xué)體系將會轟然倒塌，尤其是早就被世人奉為“神明”的牛頓經(jīng)典力學(xué)，也會被推翻。

為什么？

因為牛頓經(jīng)典力學(xué)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(chǔ)，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(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)就沒有說服力了。

怎么辦呢？當(dāng)時的物理學(xué)界大佬不可能眼睜睜地看著物理學(xué)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(yōu)美最偉大的方程。

結(jié)果，物理學(xué)界大佬只能選擇一個中庸的方法，盡量協(xié)調(diào)牛頓經(jīng)典力學(xué)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(xiàn)的。物理學(xué)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(xué)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(zhì)。這種物質(zhì)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(shè)的概念。不過假設(shè)其實也沒什么，科學(xué)的發(fā)展本來就是“大膽假設(shè)，小心求證”，接下來物理學(xué)家們只需要找到以太存在的證據(jù)，一切都萬事大吉了。

物理學(xué)界大佬們當(dāng)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(jié)果大家都知道了，根本找不到以太存在的證據(jù)。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(dǎo)致了找不到以太存在的證據(jù)。這是可以理解的，我們不能用現(xiàn)在的眼光去衡量當(dāng)時的物理學(xué)時代。事實上不僅是邁克爾遜和莫雷，幾乎所有的物理學(xué)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(dāng)時幾乎所有的物理學(xué)界大佬本能地排斥任何有可能推翻物理學(xué)大廈的思想！

另一方面，找不到以太存在的證據(jù)，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(shè)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(xiàn)代的物理學(xué)為標(biāo)準(zhǔn)，是以“上帝視角”去衡量當(dāng)時的物理學(xué)時代，這顯然是不妥的。

邁克爾遜莫雷實驗之后，很多物理學(xué)大佬也做了類似的實驗，結(jié)果都表明以太真的不存在。按道理講，事情到這里應(yīng)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(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的牛頓經(jīng)典力學(xué)在當(dāng)時物理學(xué)界的地位。即便當(dāng)時的物理學(xué)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(xié)調(diào)牛頓經(jīng)典力學(xué)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(xiàn)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(xué)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(yōu)雅的麥克斯韋方程組，從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速計算公式中得到了極大的啟發(fā)，尤其是在其他物理學(xué)大佬為尋找以太存在的證據(jù)，或者為調(diào)和牛頓經(jīng)典力學(xué)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(zhí)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(dāng)做一個基本假設(shè)，再加上“狹義相對論原理”，在兩個假設(shè)的基礎(chǔ)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(jīng)典力學(xué)就轟然倒塌了嗎？”

實際上，說“倒塌”就嚴(yán)重了。我們需要明白科學(xué)的本質(zhì)，就是可證偽性。科學(xué)的這種特性就意味著任何科學(xué)理論都有局限性，都存在隨時“被證偽”的可能性。而科學(xué)的發(fā)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(jīng)典力學(xué)是建立在絕對時空觀基礎(chǔ)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(xiàn)出來。而我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)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(xiàn)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(tǒng)治我們?nèi)粘Ｉ畹娜耘f是牛頓經(jīng)典力學(xué)，而不是相對論。

說白了，牛頓經(jīng)典力學(xué)只是相對論在低速低引力狀態(tài)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(jīng)典力學(xué)足夠簡單，而相對論下的引力場方程顯得太復(fù)雜了！

所以，牛頓經(jīng)典力學(xué)錯了嗎？嚴(yán)格來講確實錯了，但誰會這樣說呢？剛才也反復(fù)強調(diào)了，科學(xué)理論的發(fā)展就是不斷突破各種局限性的過程，牛頓經(jīng)典力學(xué)只是適用范圍有限罷了，并不能說“牛頓經(jīng)典力學(xué)”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(fā)現(xiàn)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(jié)

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(jīng)常會講“光速不變不僅僅是假設(shè)，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?nèi)粘Ｉ罱?jīng)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(jīng)驗，比如說“光速不變”。

不符合我們的日常生活經(jīng)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(nèi)，日常生活經(jīng)驗肯定是有很大局限性的。如果我們的日常生活經(jīng)驗與科學(xué)實驗相悖，當(dāng)然要以實驗結(jié)果為準(zhǔn)，而光速不變卻是經(jīng)得起實驗的驗證。

完！