什么是光速不变原理？为什么光速不变？

要理解光速不变原理。首先要有抛弃固有的思维模式的思想准备，否则不容易理解。因为爱因斯坦这个理论有点离经叛道。

我们都知道，描叙一个运动，必须有参考系才有意义。说一列火车时速100公里，是相对地面这个参考系。如果测量者跟着火车跑，测得的火车相对速度会小于时速100公里。如果测量者是迎面过来，测得的火车相对速度就会大于时速100公里。这是一个经典力学中很基础的运动观，也切合我们的生活经验，十分容易理解。
那么，有没有什么运动与参考系无关呢？也就是说，不管你与被测量的火车有没有相对运动，都不会影响你的测量结果。你站在地面上，或者与火车并行，或者逆行，这三种情况测出来的速度，都会是同样的时速100公里。经典物理学认为这是不可能的。
想象一下，当你站在地面上，看到有两列火车A和B以同样速度并肩而行，你测得他们的时速是100公里。当你登上火车B，按照普通物理的常识，你应该看到火车A与你相对静止。是不？万一，如果你发现火车A还在以100公里的时速超越你。这时，恭喜你看到了宇宙奇迹：火车A的运动与参照系无关！
一个物体，不管你是静止不动还是跑得有多快，它都会以100公里的时速超过你。这就是“运动与参照系无关”。可是，这完全……你会摇摇头表示这种现象是完全不会存在的。
可是在麦克斯韦方程里，电磁波的速度就与参考系无关。也就是说，不管你以任何速度存在，你看到的光速永远是恒定的。
你会说：这方程有问题！——当年的物理学家们也是这样想的。他们于是动手做各种实验，想方设法证明麦克斯韦方程组的荒谬性。可是，不管怎么精妙的实验装置，如何仔细认真地测量，测量者在不同运动状态下测到的光速，哇擦还真是不变的！
越多的实验结果出来，不仅没有推翻，反而是验证了麦克斯韦方程组的正确性。物理学家们不得不承认，与参照系无关的运动是存在的，那就是光，也就是电磁波。
与参照系无关的运动，给经典物理大厦的基石带来的冲击，让物理学家十分头疼。因为，相对运动理论是物理学的基础，其他一切运动理论都建立在此之上。物理学这样宏大的理论体系，必须有坚如磐石的基础。当基础发生动摇，看上去尽善尽美的体系就会轰然倒塌。由于上百年来，大到太阳系银河系，小到尘埃灰烬，经典的相对运动理论从不出错。大家不相信相对运动理论有什么问题，只是绞尽脑汁如何用它来解释光速不变。

经典物理学家，还有我们普通的大多数人，都会把宇宙想成一个大大的“空箱子”。很多星系啊星云啊恒星啊行星啊黑洞啊，都散布在这个箱子里头不同的位置。这千千万万个星球中，有些星球是相对箱子静止的，有些星球则以各种速度往各种方向运动。我们脑子中这个“空箱子”，就是我们想象出来的宇宙空间。

这也就是所谓的宇宙“绝对空间”。为什么说是“绝对”呢？因为这个空间的存在并不依赖箱子里头的东西。箱子里的那些星系啊黑洞啊恒星啊什么的，就算是一个都不存在，这个箱子也是存在的，它是一个“空的宇宙”。就像我们画在纸上的坐标，没有那些点线面的存在，坐标依然会存在。

那么，哪些物体是相对宇宙空间静止的呢？如果找到这个“绝对静止”的物体，我们就找到了绝对空间。那么，以这个静止的物体为参考系，宇宙中所有的运动都将会得到确定，都有一个“绝对运动速度值”。

当时的物理学家们提出了一种神奇的物质——以太。他们想象以太是光传播的媒介，充满整个宇宙，以太具有不可思议的特性，例如完全透明、完全无质量、完全刚性等等。最关键的是，以太相对于宇宙绝对空间是静止的。

那么，如果有以太，地球在运动的时候，就会迎面吹来一阵“以太风”。就像我们开车的时候，车子穿过静止的空气形成的迎面风一样。我们通过测量以太风的速度，就可以知道地球穿过以太的速度，这就是地球在宇宙空间中的“绝对速度”了。于是很多科学家纷纷动手，设计了许多精妙的实验装置，通过测量光速的差异来寻找以太风。但是遗憾的是，无论多么努力，他们都没有能够测出以太风。以太理论似乎也陷入了僵局。

爱因斯坦就是在这种情形之下提出了相对性原理，那就是：任何惯性参考系都是相对而言的，宇宙的绝对参考系并没有，也不需要有。

这个理论一开始让很多经典物理学家不能接受。因为没有绝对参考系，我们甚至不知道地球在宇宙的哪个位置，地球往哪里去，去得有多快！承认对自身状态无知的感觉是多么沮丧啊！但是，当科学家们真正理解了爱因斯坦的思路以后，都立即接受并表示：这是一个划时代的新思想！
爱因斯坦之所以得到推崇，其牛逼之处就是，他不再用经典相对运动理论去解释光速不变。他宣称：各位，相对运动理论有缺陷，我来修补一下。他用来修补的，就是著名的洛伦兹变换。这个变换公式这里就不说了。就是在这个公式里，光速是一种极限，如何速度都无法超越光速。

光速与参考系无关，并且是绝对最大速度，这是爱因斯坦“不得不承认”的一种假设。但是这个假设的理由十分充足，如果不承认，就得承认绝对空间的存在，经典理论就无法修补。一百年多来，相对论这个假设，一直被实验所证实，科学家至今未发现相对论被证伪的事实。
经过爱因斯坦的修补，物理学的大厦终于避免了轰塌。科学家们终于长出一口气。从此，地球上渐渐有越来越多的人接受了这样一种观念（实际上也是一种事实）：第一，没有绝对的宇宙空间，只有相对的位置和速度。第二，不管你是逆光运动，还是背光运动，还是与光成垂直交叉运动，测出来的光速都是一样的。
爱因斯坦说“任何参考系中光速不变”，也可以这样“通俗易懂”来说：光速会根据观察者的运动状态而改变，从而让观察者觉得它的速度不变。对于“同一束光”，你快它就更快，你慢它就变慢——光的速度是“自动适应观察者”的！这下你明白了没有？
——很离谱是吧？所以尽管相对论提出已经100年了，一直让很多人无法理解。

无法理解相对论的人，大多是没能抛弃经典相对运动理论中绝对空间的概念。或者是一部分用了相对论的概念，一部分则套用经典理论，从而“推导”出时空旅行平行宇宙等等神奇玩意儿。甚至还说时空穿越是相对论的成就，这就歪曲了相对论，谬之千里了。