“相对性原理”和“光速不变原理”该如何理解？它们为何相抵触？

要想真正理解爱因斯坦提出的狭义相对论，前提是必须理解爱因斯坦在狭义相对论中所提出的两条基本假设：“狭义相对性原理”和“光速不变原理”，因为狭义相对论就是以这两条基本假设为出发点通过洛伦兹变换推导出来的！而“狭义相对性原理”又是在“相对性原理”的基础之上延伸出来的。所以，理解“相对性原理”和“光速不变原理”就显得尤为重要。

那今天就让我带领大家一起看看什么是“相对性原理”、什么是“光速不变原理”，以及“相对性原理”与“光速不变原理”在实际问题中是怎样相互抵触的！这也可以为您理解“狭义相对论”打下一个坚实的基础！

首先，我们先来理解一下什么是相对性原理

相对性原理首先是由伽利略提出的，而伽利略是如何去理解相对性原理的呢？

在日常生活中，我们都见过这样的一些现象：

将一些蝴蝶放在静止的房间内或者放在做匀速直线运动的车厢里，我们可以观察到，蝴蝶在这两种空间内的飞行情况基本上是相同的，不会因为车厢在运动而影响任何一只蝴蝶的飞行！

或者说一个人在静止的房间里边立定跳远，不管你朝着哪个方向跳，也总是和在做匀速直线运动的车厢中跳远所跳出的距离是相同的。

生活中这样的现象数不胜数，而通过我们认真的思考和推理就会发现，我们根本不可能凭借观察匀速直线运动的车厢中发生的任何事情来辨别这个车厢到底是运动的还是静止的！就好比我们不能用坐在自己座位旁边乘客的运动状态来判断整个列车到底有没有运动一样！

在你看来你座位旁边的乘客是静止的，但是在地面上的行人看来，他却是运动的；在你看来是静止的地面（或者说地球），却也在围绕着太阳公转和自转。也就是说，我们对于任何一个物体运动状态的研究，都取决于观察者所选择的参照物，选择的参照物不同，对其运动状态的描述就是不同的，而你所选择的这个参照物就是参考系。

我们把静止的或者做匀速直线运动的参考系叫做惯性参考系，简称惯性系。

伽利略通过对这些现象的思考和总结，归纳出了相对性原理：他认为自然现象的运行规律（机械运动的力学规律）在所有惯性参考系当中都是相同的。

下面，让我们一起来看一看什么是光速不变原理

光速不变原理是爱因斯坦狭义相对论的一个基本假设，光速不变原理指的是：

无论在哪一种惯性参照系中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数“299792458 m/s”，这个常数不会随着光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。

• 对于光速不变原理最为直接的证据就是迈克尔逊—莫雷实验。

迈克尔逊—莫雷实验的目的：为了测量地球相对于人们误认为存在的绝对参考系（以太系）的运动速度。

如果真有以太存在，当时物理学家普遍认为以太系是绝对静止的参考系，那么地球相对于以太系就是运动的，根据伽利略的速度叠加原理，我们通过测量地球上向不同方向发射的光速差就可以直接得到地球相对于以太的运动速度。

通过测量发现，地球上朝着任意方向发出的光线速度都是相同的，他们还在不同的地点、不同的时间进行了多次测量，但其结果都是相同的。

这个实验歪打正着，虽然没有测量出地球相对于以太的运动速度，但是发现了在地球上朝着各个方向发射的光速都是相同的。

不仅仅是这个实验，以后相当多的实验都证明了，真空中光速确实是不变的！比如说：

• 为什么我们看到的恒星都是一个一个的小圆点？

我们可以用下面的假设来进行证明：

由于恒星自转、公转等等因素，所以，从恒星上各部分发出的多束光线就有可能顺着自转方向、也有可能逆着自转方向，如果光速不恒定的话，这些光线的传播速度就不会相同，那么恒星同时发出的光线到达地球时就会有时间差，但是恒星是不断发光的，可能就会出现以下情况：一小时前发出的光线和一小时后发出的光线同时到达人眼，可是经过了一小时时间，这个恒星的位置早已发生了变化，那么，我们看到的恒星就应该既在一小时前的位置又在一小时后的位置，也就是说，我们看到的应该是两个位置。如果这个时间间隔小一点的话就应该是拉长的直线。

但是这个与实际情况不相符，我们看到的所有恒星都是一个一个的圆点，说明不管是顺着恒星自转方向还是逆着恒星自转方向，恒星发出的光线速度都是相同的！

• 恒星的光行差长期保持不变

光行差的简单理解：光行差是由于光源与观察者的相对运动造成的，意思是哪怕处于我们头顶的恒星，由于地球的公转，光线也不会垂直照射下来，而是会倾斜一个角度，就跟下雨的时候我们站在雨中不动，雨伞就必须要打在头顶，如果我们向前走或者向前跑雨伞就应该向前倾是一个道理！

地球绕太阳公转、地球自转造成了周年光行差、周日光行差；以及太阳系的自转造成了长期光行差。如果光速可以叠加，最起码由于地球的公转速度不恒定会引起观察者相对于光速的变化，从而导致周年光行差的改变，可是通过长期观察测量发现，光行差是保持不变的，也就是说，光速并没有叠加，或者说光速是恒定的！

在了解了什么是“相对性原理”和“光速不变原理”之后，我们再来看看这两个基本原理之间究竟是怎样相互抵触的

假设有一架正在以速度v飞行的飞机打开了飞机上的大灯，请问飞机上的大灯发出的灯光相对于地面上静止的人的传播速度是多少呢？大灯发出的光相对于飞行员的传播速度又是多少呢？

你可能会毫不犹豫的回答相对于地面上静止的人传播速度是c+v，而相对于飞行员传播的速度是c-v，这么简单的问题还用问？

可是你别忘了上面我们所介绍的内容：“光速不变原理”，在任何惯性参考系中观察，光的传播速度都是相同的！

到底是“相对性原理”出了问题还是“光速不变原理”不对呢？我们究竟应该相信哪一个呢？根据经验，“相对性原理”是那样的简单，符合我们的认知规律，在描述经典力学规律时又是那样的精确，肯定是不会错的。

可是“光速不变原理”也同样经受住了科学家的不断验证，而在洛伦兹关于电动力学和光现象的研究中“光速不变原理”又是那样的理所应当、不可争辩。

我们到底该相信哪一个？我们到底应该怎么办呢？敬请关注下一篇文章，让我们一起欣赏爱因斯坦究竟如何力挽狂澜，他是怎样巧妙地将“相对性原理”与“光速不变原理”融合在一起，又是如何提出了“狭义相对论”。