什么是光速不變原理？為什么光速不變？

要理解光速不變原理。首先要有拋棄固有的思維模式的思想準備，否則不容易理解。因為愛因斯坦這個理論有點離經叛道。

我們都知道，描敘一個運動，必須有參考系才有意義。說一列火車時速100公里，是相對地面這個參考系。如果測量者跟著火車跑，測得的火車相對速度會小于時速100公里。如果測量者是迎面過來，測得的火車相對速度就會大于時速100公里。這是一個經典力學中很基礎的運動觀，也切合我們的生活經驗，十分容易理解。
那么，有沒有什么運動與參考系無關呢？也就是說，不管你與被測量的火車有沒有相對運動，都不會影響你的測量結果。你站在地面上，或者與火車并行，或者逆行，這三種情況測出來的速度，都會是同樣的時速100公里。經典物理學認為這是不可能的。
想象一下，當你站在地面上，看到有兩列火車A和B以同樣速度并肩而行，你測得他們的時速是100公里。當你登上火車B，按照普通物理的常識，你應該看到火車A與你相對靜止。是不？萬一，如果你發現火車A還在以100公里的時速超越你。這時，恭喜你看到了宇宙奇跡：火車A的運動與參照系無關！
一個物體，不管你是靜止不動還是跑得有多快，它都會以100公里的時速超過你。這就是“運動與參照系無關”。可是，這完全……你會搖搖頭表示這種現象是完全不會存在的。
可是在麥克斯韋方程里，電磁波的速度就與參考系無關。也就是說，不管你以任何速度存在，你看到的光速永遠是恒定的。
你會說：這方程有問題！——當年的物理學家們也是這樣想的。他們于是動手做各種實驗，想方設法證明麥克斯韋方程組的荒謬性。可是，不管怎么精妙的實驗裝置，如何仔細認真地測量，測量者在不同運動狀態下測到的光速，哇擦還真是不變的！
越多的實驗結果出來，不僅沒有推翻，反而是驗證了麥克斯韋方程組的正確性。物理學家們不得不承認，與參照系無關的運動是存在的，那就是光，也就是電磁波。
與參照系無關的運動，給經典物理大廈的基石帶來的沖擊，讓物理學家十分頭疼。因為，相對運動理論是物理學的基礎，其他一切運動理論都建立在此之上。物理學這樣宏大的理論體系，必須有堅如磐石的基礎。當基礎發生動搖，看上去盡善盡美的體系就會轟然倒塌。由于上百年來，大到太陽系銀河系，小到塵埃灰燼，經典的相對運動理論從不出錯。大家不相信相對運動理論有什么問題，只是絞盡腦汁如何用它來解釋光速不變。

經典物理學家，還有我們普通的大多數人，都會把宇宙想成一個大大的“空箱子”。很多星系啊星云啊恒星啊行星啊黑洞啊，都散布在這個箱子里頭不同的位置。這千千萬萬個星球中，有些星球是相對箱子靜止的，有些星球則以各種速度往各種方向運動。我們腦子中這個“空箱子”，就是我們想象出來的宇宙空間。

這也就是所謂的宇宙“絕對空間”。為什么說是“絕對”呢？因為這個空間的存在并不依賴箱子里頭的東西。箱子里的那些星系啊黑洞啊恒星啊什么的，就算是一個都不存在，這個箱子也是存在的，它是一個“空的宇宙”。就像我們畫在紙上的坐標，沒有那些點線面的存在，坐標依然會存在。

那么，哪些物體是相對宇宙空間靜止的呢？如果找到這個“絕對靜止”的物體，我們就找到了絕對空間。那么，以這個靜止的物體為參考系，宇宙中所有的運動都將會得到確定，都有一個“絕對運動速度值”。

當時的物理學家們提出了一種神奇的物質——以太。他們想象以太是光傳播的媒介，充滿整個宇宙，以太具有不可思議的特性，例如完全透明、完全無質量、完全剛性等等。最關鍵的是，以太相對于宇宙絕對空間是靜止的。

那么，如果有以太，地球在運動的時候，就會迎面吹來一陣“以太風”。就像我們開車的時候，車子穿過靜止的空氣形成的迎面風一樣。我們通過測量以太風的速度，就可以知道地球穿過以太的速度，這就是地球在宇宙空間中的“絕對速度”了。于是很多科學家紛紛動手，設計了許多精妙的實驗裝置，通過測量光速的差異來尋找以太風。但是遺憾的是，無論多么努力，他們都沒有能夠測出以太風。以太理論似乎也陷入了僵局。

愛因斯坦就是在這種情形之下提出了相對性原理，那就是：任何慣性參考系都是相對而言的，宇宙的絕對參考系并沒有，也不需要有。

這個理論一開始讓很多經典物理學家不能接受。因為沒有絕對參考系，我們甚至不知道地球在宇宙的哪個位置，地球往哪里去，去得有多快！承認對自身狀態無知的感覺是多么沮喪啊！但是，當科學家們真正理解了愛因斯坦的思路以后，都立即接受并表示：這是一個劃時代的新思想！
愛因斯坦之所以得到推崇，其牛逼之處就是，他不再用經典相對運動理論去解釋光速不變。他宣稱：各位，相對運動理論有缺陷，我來修補一下。他用來修補的，就是著名的洛倫茲變換。這個變換公式這里就不說了。就是在這個公式里，光速是一種極限，如何速度都無法超越光速。

光速與參考系無關，并且是絕對最大速度，這是愛因斯坦“不得不承認”的一種假設。但是這個假設的理由十分充足，如果不承認，就得承認絕對空間的存在，經典理論就無法修補。一百年多來，相對論這個假設，一直被實驗所證實，科學家至今未發現相對論被證偽的事實。
經過愛因斯坦的修補，物理學的大廈終于避免了轟塌。科學家們終于長出一口氣。從此，地球上漸漸有越來越多的人接受了這樣一種觀念（實際上也是一種事實）：第一，沒有絕對的宇宙空間，只有相對的位置和速度。第二，不管你是逆光運動，還是背光運動，還是與光成垂直交叉運動，測出來的光速都是一樣的。
愛因斯坦說“任何參考系中光速不變”，也可以這樣“通俗易懂”來說：光速會根據觀察者的運動狀態而改變，從而讓觀察者覺得它的速度不變。對于“同一束光”，你快它就更快，你慢它就變慢——光的速度是“自動適應觀察者”的！這下你明白了沒有？
——很離譜是吧？所以盡管相對論提出已經100年了，一直讓很多人無法理解。

無法理解相對論的人，大多是沒能拋棄經典相對運動理論中絕對空間的概念。或者是一部分用了相對論的概念，一部分則套用經典理論，從而“推導”出時空旅行平行宇宙等等神奇玩意兒。甚至還說時空穿越是相對論的成就，這就歪曲了相對論，謬之千里了。