光速與任何速度疊加為何仍舊是光速？沒有參照系如何計(jì)算光速？

第一個(gè)問題其實(shí)很好回答，就是光速不變?cè)?，這個(gè)原理其實(shí)就是假設(shè)，至于為什么是假設(shè)，接下來會(huì)分析。

第二個(gè)問題就有些復(fù)雜了，并不是說很難理解，只是說在參照系的不斷轉(zhuǎn)換中，很容易讓我們迷失自我。

重點(diǎn)是第一個(gè)問題，把第一個(gè)問題弄明白了，其實(shí)第二個(gè)問題也就人迎刃而解了。

光，其實(shí)就是電磁波，具有波的特性。那么，我們可以從身邊常見的水波和聲波講起。

聲波和水波都屬于機(jī)械波，說白了就是物體的振動(dòng)產(chǎn)生的波，這種波的速度與振源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，本質(zhì)上只是介質(zhì)的傳播速度。無論振源的速度有多快，都不會(huì)改變介質(zhì)中聲波或者水波的速度。

比如說聲波，振源會(huì)帶動(dòng)附近空氣分子的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)傳遞給相鄰的空氣分子，然后不斷向外擴(kuò)展，把能量逐漸向外傳遞。傳遞的并不是空氣分子，而是空氣分子的振動(dòng)，也就是能量，與牛頓擺的能量傳遞是一個(gè)道理。

水波也是一樣。比如說你往池塘里扔一塊石頭，會(huì)形成水波，水波并不是水分子向四周運(yùn)動(dòng)形成的，而是水分子的能量傳遞給周圍的水分子形成的。

無論是水波還是聲波，傳播速度只與介質(zhì)本身的屬性有關(guān)，與振源的運(yùn)動(dòng)情況沒有任何關(guān)系。

所以，即便是你在飛機(jī)上唱歌，歌聲的傳播速度仍舊是空氣中的聲音速度，聲速并不會(huì)與飛機(jī)的速度疊加。哪怕你坐的是超音速飛機(jī)，聲音仍舊是以聲速傳播。

不過，聲音會(huì)因?yàn)槁曉吹目焖龠\(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，說白了就是，當(dāng)聲源朝向聽眾運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲調(diào)就會(huì)變得很高很尖銳。當(dāng)聲源遠(yuǎn)離聽眾時(shí)，聲調(diào)就變得很低沉。

同樣地，光也是一種波，也具有上述聲波和水波的特性，光的速度只與介質(zhì)的屬性有關(guān)，也就是與磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)。

而且，光波也具有多普勒效應(yīng)。具體表現(xiàn)就是，當(dāng)光源朝向我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，光的頻率就會(huì)變高，波長(zhǎng)變短，發(fā)生藍(lán)移。反之，如果光源遠(yuǎn)離我們，就會(huì)發(fā)生紅移。

既然光波與聲波水波有相同的特性，人們理所當(dāng)然地會(huì)這樣想：聲音依靠空氣等介質(zhì)傳遞到我們耳朵里，那么光是依靠什么介質(zhì)傳遞到我們眼睛里呢？

雖然空氣看不見摸不著，但我們確實(shí)知道空氣的存在，一陣風(fēng)過來就是空氣。那么光可以在沒有空氣的“真空”中傳播，意味著真空中一定也有像空氣那樣看不見摸不著的物質(zhì)存在。

科學(xué)家就給這種物質(zhì)起了個(gè)名字，以太。

一切看起來如此和諧，如此美妙。聲音的傳播介質(zhì)是空氣（或者其他物質(zhì)），光的傳播介質(zhì)是以太。

既然同為介質(zhì)，考慮到運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，那么當(dāng)我們迎著以太運(yùn)動(dòng)，與遠(yuǎn)離以太運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量到的光速肯定是不一樣的。

這很好理解，就像聲速那樣，雖然聲速在介質(zhì)中的速度是固定的，但當(dāng)我們相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲速相對(duì)我們而言就會(huì)發(fā)生變化。

舉個(gè)例子，在大風(fēng)天里，你高喊一聲，我順著風(fēng)會(huì)更快聽到你的喊聲。而逆著風(fēng)就會(huì)慢一些。

這說明雖然聲速在介質(zhì)中的速度是恒定的，但介質(zhì)本身的運(yùn)動(dòng)可以攜帶著聲波一起運(yùn)動(dòng)，說白了就是，介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度可以和聲速疊加。

那么，以太這種介質(zhì)理應(yīng)該也有同樣的性質(zhì)，有人可能想到了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，沒錯(cuò)，就是著名的“邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)”。

以太，只是科學(xué)家們假設(shè)的概念，必須在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證才能站得住腳。但是當(dāng)邁克爾遜和莫雷兩人在實(shí)驗(yàn)中試圖尋找以太存在的證據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)以太根本就不存在。

無論是他們逆著以太風(fēng)還是順著以太風(fēng)進(jìn)行測(cè)量，得到的光速都是不變的。

這樣的結(jié)果只能證明以下兩個(gè)事實(shí)必須有一個(gè)是成立的：

第一，地球就是宇宙中心，也是唯一保持不動(dòng)的天體。

第二，以太根本就不存在。光速是絕對(duì)的，相對(duì)任何物體的速度都是光速。

很顯然，第一個(gè)明顯不成立，傅科擺早就證明了地球在轉(zhuǎn)動(dòng)。看來，只能選擇第二個(gè)了。

但是，問題就在于第二個(gè)完全違背了我們的日常認(rèn)知：如果以太不存在，光到底靠什么傳播的呢？

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界打死也去想象光不依靠介質(zhì)也能傳播，因?yàn)槟且馕吨ｎD經(jīng)典力學(xué)轟然倒塌，而當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界早就奉牛頓經(jīng)典力學(xué)為“神明”了。

因此，在“以太必然存在”的大前提下，物理學(xué)界大佬們開始進(jìn)行各種修修補(bǔ)補(bǔ)，左右逢源，在這個(gè)過程中建立了一大堆復(fù)雜的公式，目的就是既保證以太存在，又保證以太存在不會(huì)帶來其他更多的問題。

但是，結(jié)果事與愿違，為了保證以太存在而提出了各種復(fù)雜公式，往往都建立在很多假設(shè)的基礎(chǔ)上，而且通常是顧頭不顧尾，任何一個(gè)假設(shè)至少稍微變動(dòng)就徹底完蛋。說白了，假設(shè)就像定時(shí)炸彈那樣，隨時(shí)可能會(huì)引爆，而且假設(shè)越多，引爆的可能性就越大。

而結(jié)果只有洛倫茲提出了“洛倫茲變換”來解決問題，但物理學(xué)家們并不知道為什么以太如此特殊，必須用洛倫茲變換來計(jì)算速度疊加問題。

還得是愛因斯坦同學(xué)夠大膽：既然做出了如此多的假設(shè)才能保證以太的存在，干脆徹底拋棄以太不就萬事大吉了？那樣的話也不需要如此多的假設(shè)專門為以太“服務(wù)”了。

巧合的是，承認(rèn)以太不存在，光速是絕對(duì)的系相對(duì)任何物體都是光速，正好也可以推導(dǎo)出洛倫茲變換。

當(dāng)時(shí)，這其實(shí)不是巧合，而是必然。

洛倫茲推導(dǎo)出洛倫茲變換的前提是：以太在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)縮短。而愛因斯坦提出的光速不變推導(dǎo)出來的結(jié)果是：物體在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)發(fā)生縮短（其實(shí)就是尺縮效應(yīng)）。

其實(shí)兩者本質(zhì)上應(yīng)該是一樣的，只需要把洛倫茲眼里的“以太”理解為時(shí)空本身就可以了。這也是為什么我們會(huì)感嘆“洛倫茲其實(shí)已經(jīng)無限接近相對(duì)論”了，就差最后的“一哆嗦”，他只需要放棄以太的概念，承認(rèn)時(shí)空是相對(duì)的，狹義相對(duì)論就手到擒來了。

可惜沒有如果。還是愛因斯坦夠大膽，直接拋棄了以太的概念，提出了光速不變?cè)恚由溪M義相對(duì)論原理，創(chuàng)建了偉大的狹義相對(duì)論。

到這里，第二個(gè)問題應(yīng)該很好理解了吧，可以簡(jiǎn)單理解為光速根本就不需要參照系，或者在任何參照系下測(cè)量，都保持光速不變。