光速為什么是絕對(duì)不變的？光速不變?yōu)槭裁磿?huì)導(dǎo)致時(shí)間膨脹？

簡(jiǎn)單講，光速不變最開(kāi)始只是假設(shè)，是假設(shè)，是假設(shè)！

重要的事情說(shuō)三遍！

只是這個(gè)假說(shuō)后來(lái)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷論證，確實(shí)成立，被作為愛(ài)因斯坦作為基本公設(shè)之一（另一個(gè)公設(shè)是相對(duì)性原理），創(chuàng)建了偉大的狹義相對(duì)論。

愛(ài)因斯坦為什么會(huì)提出“光速不變”這個(gè)假設(shè)？這個(gè)就說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)了，之前有科普專門分析過(guò)，這里就長(zhǎng)話短說(shuō)。

主要原因有兩點(diǎn)。第一，麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來(lái)的電磁波速度公式中，電磁波的速度為常數(shù)，與參照系無(wú)關(guān)。這就給了愛(ài)因斯坦極大的靈感。第二，物理學(xué)界大佬苦苦尋找的光速的參照系“以太”，在實(shí)驗(yàn)中被證明根本不存在。這其實(shí)就意味著光速不需要參照系。

但是當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬根本不敢堅(jiān)持光速不變，以為那意味著統(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的牛頓力學(xué)體系轟然倒塌。就連“邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)”的兩人邁克爾遜和莫雷，也不敢相信光速是不變的，他們寧愿相信實(shí)驗(yàn)本身出了問(wèn)題！

最終還是愛(ài)因斯坦“頂住壓力”，提出了“光速不變”！而后來(lái)的無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)，都證明了光速的確是不變的。

當(dāng)然，這里有必要強(qiáng)調(diào)一下，光速不變并不是指“光在真空的速度為每秒30萬(wàn)公里”，而是指不管光源如何運(yùn)動(dòng)，也不管在任何參照系下觀測(cè)，光速都保持恒定不變。

說(shuō)白了，就是光速與其他任何速度疊加之后，仍舊是光速。即便你以0.9倍光速追趕一束光，這束光在你眼里仍舊光速，而不是0.1倍光速。

下面就用例子通俗解釋光速不變會(huì)帶來(lái)什么樣的結(jié)果。

假設(shè)有這么一個(gè)光子鐘，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，水平放置兩面鏡子，相距15厘米，鏡子之間有一個(gè)光子上下垂直運(yùn)動(dòng)，假設(shè)運(yùn)動(dòng)一個(gè)回合就是一秒。

你帶著這個(gè)光子鐘，乘坐一艘飛船以亞光速V飛行，我待在地球上不動(dòng)。在你眼里，光子中的光子當(dāng)然是垂直上下運(yùn)動(dòng)的。那么在我們眼里，光子鐘中的光子會(huì)如何運(yùn)動(dòng)呢？

很明顯，我不會(huì)看到光子垂直運(yùn)動(dòng)了，而是斜線運(yùn)動(dòng)。飛船一直在亞光速飛行，在我眼里，光子運(yùn)動(dòng)一個(gè)回合當(dāng)然需要時(shí)間，這段時(shí)間里飛船也飛行了一段距離，光子到達(dá)上下兩面鏡子的點(diǎn)也會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

相當(dāng)于我看到的光子飛行的距離變長(zhǎng)了。而由于光速本身是不變的，因此光子飛行一個(gè)回合的時(shí)間變長(zhǎng)了。

說(shuō)白了，你經(jīng)歷的一秒，在我眼里可能是三秒，四秒甚至更長(zhǎng)，也就是說(shuō)你的時(shí)間變慢了，膨脹了。

我看到你的一切都是慢動(dòng)作，就像電影里的慢動(dòng)作回放一樣。甚至打個(gè)噴嚏可能都需要幾分鐘時(shí)間。

當(dāng)然，我們也可以用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出時(shí)間膨脹公式，主要利用到勾股定律，過(guò)程并不復(fù)雜。這里簡(jiǎn)單來(lái)推導(dǎo)一下。

根據(jù)下圖，我們簡(jiǎn)單畫(huà)出一個(gè)直角三角形。假設(shè)飛船的速度為V，你的時(shí)間為t，我的時(shí)間為t'。

利用勾股定律，兩個(gè)直角邊的平方和，等于斜邊長(zhǎng)的平方，很容易得出下面的公式。

ct的平方+vt'的平方=ct'的平方

對(duì)以上公式進(jìn)行簡(jiǎn)單推導(dǎo)，最終就可以推導(dǎo)出時(shí)間膨脹公式。

仔細(xì)觀察這個(gè)公式，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？

如果你乘坐的飛船速度無(wú)限接近光速，意味著V無(wú)限接近光速C，意味著t必須無(wú)限大，這就說(shuō)明你的時(shí)間趨于靜止了。

而另一極端就是，你乘坐的飛船速度V趨于零，也就是靜止不動(dòng)，相當(dāng)于與我一樣待在地球上，那么公式中的兩個(gè)時(shí)間就趨于一致。這當(dāng)然是肯定的，因?yàn)槟愫臀蚁鄬?duì)靜止，時(shí)間流逝速度當(dāng)然是一樣的。

除了時(shí)間膨脹公式之外，還有尺縮效應(yīng)和質(zhì)增效應(yīng)公式，都可以在光速不變的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)。而由于時(shí)間和空間是有機(jī)的整體，兩者不可分割，所以時(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)其實(shí)是等價(jià)的，兩者也必須同時(shí)出現(xiàn)。

根據(jù)尺縮效應(yīng)，如果你的速度無(wú)限接近光速，你在一瞬間就可以到達(dá)任何遙遠(yuǎn)的距離，哪怕是宇宙的邊緣，也可以瞬間到達(dá)。因?yàn)閷?duì)于你來(lái)講，不管多遠(yuǎn)的距離都是近在咫尺，整個(gè)宇宙就好像濃縮為一個(gè)點(diǎn)，讓你觸手可及，瞬間到達(dá)。

結(jié)語(yǔ)

其實(shí)光速不變更深層的東西是時(shí)空的相對(duì)性，時(shí)空結(jié)構(gòu)的彈性，因此時(shí)間膨脹也是由時(shí)空的彈性造成的。光速的背景是四維時(shí)空，因?yàn)楣馑儆挚梢岳斫鉃樗木S時(shí)空本身的速度，或者說(shuō)“時(shí)空漣漪”的移動(dòng)速度，就像把石頭扔到水里引發(fā)的“水波漣漪”一樣，水波的速度與振動(dòng)源的速度沒(méi)有關(guān)系！