深层探索迈克尔逊莫雷实验，光速不变原理是如何诞生的？

有一个神秘的装置。时而子弹全部穿过，表明这一装置具有可穿透性；时而子弹又全部被反射了回来，使该装置具有不可入性。

为什么同一个装置具有截然不同的特性呢？将这个问题套用到自然界，就是为什么自然界呈现在我们面前的是大千世界，存在着各种性质迥异的不同事物呢？面对各种变化万千的世界，我们应该如何认识并梳理这一杂乱无章的世界呢？

在经典力学时期，在天文观测方面，人们就面对着两个完全矛盾的实验。它们是双星实验和迈克尔逊-莫雷实验。

在宇宙中，与太阳系不同，普遍存在着双星系统。这是因为星云在收缩时，有两个较大的中心点。于是，形成了两个恒星系统。它们围绕着共同的质量中心相互旋转。如果两个恒星的质量相差较大，则质量中心就会偏向质量大的那个恒星。于是，表现为质量小的恒星围绕着质量大的恒星运动，就像地球围绕着太阳进行公转。两者的区别在于，进行公转的恒星是发光的，使我们有机会对该恒星进行观测。甚至，位于中心位置的那颗质量较大的恒星是白矮星或黑洞，以至于我们看到的，只是一颗恒星在孤独地自行转圈。奇怪的是，这颗恒星的光谱，时而红移，时而蓝移。为什么会这样呢？

由于光具有运动频移效应，星光频率的周期性变化说明该恒星正在周期性地接近或远离我们的地球，即该恒星正在围绕着某一个中心进行公转。

由于我们的宇宙是一个有机的整体，是由作为物理对象的物质和作为物理背景的空间共同构成的。因此，不存在绝对独立和自由的物体。任何物体的能量都具有两种不同的存在形式，其一是相对于自身的动能，由物理参量速度来度量；其二是相对于空间的势能，由物理参量弛豫时间（频率的倒数）来度量。

光子的特殊性在于，其质量非常小，以至于其能量的变化主要是相对于空间势能的增减，由弛豫时间来反映。所以，光速只是光子维持其相对于空间势能的速度，表现为相对于空间的不变性。

于是，当光子离开恒星时，光子有一个由相对于恒星以速度c运动，转变为相对于空间以速度c运动的转变过程。由此增加或减少的动能，会由光子的势能予以调节，即表现为频率的变化。这就是光谱运动频移的原理。

所以，正是恒星有节奏地频率变化，使我们推断出该恒星正在围绕着另一颗恒星运动。由此，证明了光速不变现象，即光速与光源无关，仅与空间相关。

与双星实验相对应的是迈克尔逊-莫雷实验，如图所示。

迈克尔逊-莫雷光的干涉实验

该实验起初是为了验证地球是否拖拽以太空间。以太被认为是与物质截然不同的物体，它是光线传播的介质。如果在迈克尔逊-莫雷实验中发现了周期性的干涉条纹移动，就说明地球在以太空间进行绝对运动，即所谓的裸行；如果该实验的结果为零，则说明地球拖着以太空间一起运行，两者是同步的。

经过观测，实验的结果是没有发现干涉条纹的移动。然而，由此就证明了以太空间随着地球一起运动了吗？此时下结论，还为时尚早。由于地球不可能拖着整个空间运动，当离开地面时，以太空间会逐步脱离地球的控制，从而产生以太风。

于是，迈克尔逊和莫雷将实验装置搬到了高山上，期望因远离地面而发现光的干涉条纹的变动。然而，遗憾的是他们仍然没有看到干涉条纹的变化。于是，经典力学的以太观陷入了绝境，以太空间既不随地球运动，也没有发现以太风的存在。于是，人们由迈克尔逊-莫雷实验得出的结论是，光速仅与光源相关，而与空间无关。

于是，就像本文的开始提到的那个神秘装置一样，光速也呈现出了矛盾的现象。在双星实验中，光速与空间相关，与光源无关；在迈克尔逊-莫雷实验中，则是光速与光源相关，与空间无关。同样的宇宙，同样的光线，为什么会呈现出如此截然不同的现象呢？

对此，有两种不同的认识方法。第一种方法是归纳法，从各种现象中找出具有共性的规律，并将该规律应用于整个宇宙。第二种方法是演绎法，即建立一个具体的物理机制，使各种不同的现象仅只是该机制在不同的极限情况下的不同表现。

就那个神秘装置而言，如果用归纳法，我们可以提出一个原理，规定该装置同时既具有可入性又具有不可入性。于是，矛盾被消除了。只是留下了一个更大的问题，使该装置更具神秘的色彩，即为什么该装置同时具有截然相反的性质呢？

如果用演绎法，我们可以假设该装置是一台电扇，决定电扇性质的因素是子弹与扇叶的速度之比。该比值远大于1时，电扇具有可入性；比值远小于1时，则电扇具有不可入性。通过具体的物理机制，将不同的现象分隔在不同的情况。于是，在时间上阻断了矛盾现象的出现，从而化解了矛盾。于是，理解了为什么宇宙呈现在我们面前的是各种纷乱不一的世界，是因为同一个物理机制在不同的极限情况下具有的不同表现。于是，我们获得了一个统一的认识，使现实的世界呈现出有机的统一性。

对此，当遇到矛盾的现象时，许多人都会说他们肯定会采用第二种方法来化解矛盾，只有傻子才会使用第一种方法，认为那只是一种掩耳盗铃的愚蠢做法。然而，事实上不仅有人采用第一种方法，而且该方法的使用还是非常必要的。

因为，构建一个合适的物理机制，是一件很困难的事情。只有建筑于获取足够信息的基础上，构建适当的物理机制才是有可能实现的。因而，在采用演绎法之前，首先需要我们运用归纳法，找出不同现象之间的外在联系。

对于光速变化的矛盾现象，爱因斯坦就是采用归纳的方法予以解决的。他认为，既然光的矛盾现象是存在的，那么我们就把这一矛盾的现象视作宇宙的基本规律，以此来消除矛盾。于是，爱因斯坦提出了光速不变原理，认为在任何参照系上观测到的光速都是一样的。然而，不同速度的观察者，面对同一光束，如何会测量出相同的速度呢？于是，为了满足光速不变原理，只好修改长度和时间的定义，以保证测量到的光速始终是光速c。这就好比是同一件事情，虽然可以用不同的语言讲述，但他们表达的意思却是不变的。

于是，爱因斯坦建立了狭义相对论，使我们有机会认识到物体在高速运动的情况下，其速度的增大会受到空间的限制，是不能超过光速的。狭义相对论是在高速领域关于空间效应的唯象型理论，建立了各种不同现象之间的外在联系。

当然，对于我们人类来说，只有这种唯象的理论是不够的，我们仍然不知道为什么光速是不变的，不利于更进一步地深入研究光子的特性。

随着人类认识的进一步发展，由于普朗克常数h的普遍存在，由于各种微观粒子都具有波动性，说明在我们的宇宙中存在着不可再分的最小粒子（由此命名为量子），说明我们的宇宙是由量子构成的。由此，形成了一个有机的量子宇宙观：

离散的基态量子构成空间，受到激发的量子成为光子，由高能量子组成的封闭体系就是物质。

于是，根据量子的物理机制，运用演绎的方法，使我们理解了上述两个关于光速实验的矛盾结果。由于光速是光子维持其相对于空间势能的速度，因此光速相对于量子空间具有不变性。

当量子受到激发成为光子时，其速度首先服从光源的内空间，相对于光源以速度c运动，属于迈克尔逊-莫雷实验的情况，即属于短距离的极限情况；

当光子进入外部的量子空间时，光子通过与空间量子的碰撞，逐步改变其速度，以保持其相对于空间的速度不变性。由此引起的动能变化，会由光子的势能予以补偿，表现为光的运动频移。由此，逐步地过渡到双星实验的结果，光速不再与光源相关，光子转变为相对于空间以速度c运动。于是，借助于量子的物理机制，由光子传播的距离，将两个矛盾的实验分隔开来，从而避免了矛盾的出现。

这就是我们用电扇的物理机制化解神秘装置的做法。作为引申，我们可以将宇宙中的各种不同的现象，都可以归结为量子及其不同状态的变化，归结为量子空间的破缺（不对称碰撞）。

总之，虽然双星实验和迈克尔逊-莫雷实验呈现出来的是矛盾的现象，但是我们可以以此为契机，构建一个具体的物理机制，将矛盾的现象分隔在不同的极限情况。由此，我们运用演绎的方法，将获得的物理机制应用于宇宙的方方面面，使我们获得一个统一的认识。

结合量子力学的发展，我们有理由相信，可以通过量子的物理机制来认识我们的宇宙。