深度长文：光速与任何速度叠加还是光速，光速真的不需要参照系？

对于光速和光速不变原理，很多人都有这样那样的疑惑。其实有疑惑也很正常，毕竟光速在很多方面都违背了我们的直觉和日常生活经验。

为了更好地了解光速的特性，我们先从身边熟悉的事物说起，比如说声波。

物理课上我们都学过，声波本质上讲属于机械波，具体来讲，是声波是这样运作的。

第一，发声物体振动，对空气施加了压力。

第二，这种压力会冲击发声物体前方的空气分子。

第三，分子具有质量和惯性，所以最靠近发声物体的空气分子会被迫首先运动。

第四，最先运动的空气分子获得速度之后，在惯性作用下会推动更远的空气分子，在这个过程中失去能量，结果这些空气分子虽然发生了振动，但几乎保持原地不动，只是把振动的能量传递给了更远的空气分子，这个过程就像是牛顿摆一样。

声波就是这样传递到我们耳朵里的。理解了声波产生的本质，就可以推导出声波传递速度公式了，这里就不再详述了。声速与介质的密度，体积弹性模量有关，这两个物理量一旦确定下来，声速也就确定了。

这就意味着，不管你是在高铁上，飞机上，哪怕是宇宙飞船上，你发出的声音的传播速度仍旧是空气中的声速，声速本身并不会与高铁飞机和宇宙飞船叠加，即便你乘坐的交通工具的速度超过了空气中的声速，也就是超音速，你的声音传播速度仍旧是声速。

不过，声波本身也有类似光波那样的“多普勒效应”，如何理解呢？举个简单的例子，当火车朝着你行驶，鸣笛声就会显得更尖锐，声调很高。而当火车朝着远离你的方向行驶时，鸣笛声就会变低沉，声调变低。

其实，与声波类似，光也是一种波，是一种电磁波。光的速度同样只与介质（也就是真空）的磁导率和介电常数有关，这也是为什么光速始终保持恒定，光速与任何速度叠加之后，仍旧保持光速不变。

刚才说了光波具有“多普勒频移”效应，具体来讲就是，当光源不断靠近我们运动，光的频率就会变高，波长变短，光谱就会向蓝色端移动，也就是所谓的“蓝移”。相反，如果光源朝着远离我们的方向运动，光的频率就会变低，波长变长，也就会发生“红移”。

下一个问题就来了，我们都知道声音依靠空气或者其他介质传播，那么光依靠什么传播的呢？

虽然空气这种东西我们看不见摸不着，但它确实存在。但是光呢？科学家们早就证明，即使在真空中，光仍旧能传播。按照“声音传播需要介质”的理念，我们自然会想到，光的传播同样需要某种介质，这意味着真空中同样存在一种我们看不见摸不着的东西，光正是通过这种东西来传播的。

科学家们其实并没有找到这种东西是否真的存在，只是把它定义为了“以太”。

看起来一切都得到了完美解决，声音靠空气传播，而光依靠以太来传播。但问题远没有结束。

还拿空气来讲，假设你站着静止不动，我在远处大喊一声，如果你是顺风接收到我发出的声波，自然能更快听到我的喊声。相反，如果你是逆风接收到我发出的声波，那么声波传到你耳朵就会更慢一点。

道理很简单，虽然声波的速度相对某种介质是固定的，与声源的运动与否没有关系，但是介质本身的运动能够带着声波一起运动。也就是说，介质的运动能够与声波的速度叠加。这里需要注意一点，介质与声波本身是两个不同的概念。

那么，我们自然会联想到光也是如此，既然光的传播介质是以太，在地球围绕太阳运行的过程中，也会和以太产生相对运动。

再回想一下在空气中的声波，在一定距离内，测量不同方向的声波传播速度，最终就能测量出风速是多少。那么可不可以利用同样的方法测量出“以太风”的速度呢？

科学家们也确实是这样想的，也是这样做实验的，这就是著名的迈克尔逊莫雷实验。实验的目的就是找到以太存在的证据。

但实验结果让所有人都没有想到，地球的运动并没有和以太产生相对速度，这个结果意味着两种可能：

一，地球真的是宇宙中心，而且地球保持绝对不动。显然这是不可能的，简单的傅科摆早就证明地球在自转。

二，以太不存在，光速相对任何参照系都保持不变。

既然第一条是不可能的，那么我们只有接受第二种可能性了：光速在任何参照系下都保持不变，以太不存在。

但是光速的这种绝对不变性又大大违反了我们的传统认知，更大的问题是：如果以太真的不存在，光到底是如何传播的呢？

且不说光到底是如何传播的，如果以太真的不存在，就意味着统治物理学界几百年的牛顿经典力学轰然倒塌，这是当时的物理学家大佬们无论如何都接受不了的。

所以，很多物理学界大佬仍旧相信以太是存在的，只是因为以太的性质很特别，不那么容易被发现。总是，他们就提出各种假设对以太的定义进行修正，目的就是保证以太真实存在。

但是，假设得越多，就越容易出问题，因为每个假设就相当于一个“谎言”，也就是“定时炸弹”，随时可能引爆，任何一个假设被证明不合理，以太的概念就会被推翻。

结果物理学界大佬洛伦兹提出了“洛伦兹变换”才算是比较完美地解决了上述问题，但还有一个问题：以太为什么这么特殊？为什么必须用洛伦兹变换才能计算速度的叠加呢？为什么不能用简单的伽利略变换呢？

这就意味着以太的概念仍旧是有问题的，而伟大的爱因斯坦秉承着“如无必要勿增实体”的理念，用“奥卡姆剃刀”直接把以太“咔嚓”掉了：既然以太的概念总是会带来矛盾，而以太本来就是假设的概念，为什么一定要以太存在呢？为何光速就不能是绝对的呢？况且麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中早就表明了光速的确是一个不变的常数。

在彻底抛弃以太的概念之后，在光速不变原理和狭义相对论原理的基础上，爱因斯坦提出了相对论。

光速不变意味着，假设我们以光速飞行，那么其他所有物体相对我们的速度肯定都是光速，这意味着什么？

意味着宇宙的时间是静止的，我们根本不需要任何时间就能轻松穿越整个宇宙，哪怕是可观测宇宙直径达到930亿光年，也可以瞬间跨越。如果任何物体一旦有任何运动，意味着彼此之间肯定有相对速度，那么必须就会有一些物体相对我们的速度不再是光速。

这种方式推测出来的结果显然是错误的，问题到底出在哪里呢？

爱因斯坦给出了答案：信息传播的极限速度就是光速，我们对时间和空间的固有认知是错误的，必须做出相应调整才可以。

说白了，速度会影响时间和空间，当物体以亚光速飞行时，平时我们所用的伽利略变换，也就是速度直接叠加就不再适用了，需要用到洛伦兹变换。

举个例子，你我分别以0.5倍光速反方向行驶，我们之间的相对速度是多少呢？

如果用伽利略变换计算，答案很简单：光速，就是我们两人的速度之和，这就是简单的速度叠加。实际上并非如此，利用洛伦兹变换计算的结果是0.8倍光速，而不是光速！

为什么会这样？

简单讲，时间和空间是相对的，速度会影响时间和空间，也就是时间和距离。只不过只有速度达到亚光速，对时间和空间的影响才更明显。平时我们用到的伽利略变换，也就是速度叠加，是以绝对时空观为背景的，只适用于速度远远低于光速的情况。

而在亚光速世界，在相对论体系下，速度并不能直接叠加，速度叠加并非是线性的，需要用洛伦兹变换公式来计算速度的叠加。通过公式我们可以看出，无论你和我的速度有多快，我们之间的相对速度都不可能达到或者超过光速。

为什么达不到光速呢？因为随着速度的不断增加，时间和空间会不断“自我调整”，具体表现就是时间会变慢，空间会缩短，同时物体的质量也会增加，而速度就等于空间（距离）除以时间，时间和空间不断调整的结果就是光速不可超越。

总结

光速就是这么特殊，它的确不需要任何参照系，恒定保持光速不变。但我们也可以这么通俗理解：光速的参照系是时空本身，时空是光的传播介质，准确来讲，四维时空是光的传播介质。

其实严格来讲，光速并不是指“光的速度”，而是指四维时空的极限速度，因为不仅仅是光子本身，任何没有静质量的物体，以及信息的传播速度都是光速，除了光子之外，还有胶子。胶子也是没有静质量的，它也只能以光速传播。