深度长文：为什么光速如此特殊，与其他速度叠加之后仍旧是光速？

对于光速和光速不变，网络上会有很多科普文有详细解释，很多科普文甚至会以相当专业的物理学知识加以诠释，之前本人也曾多次科普过有关光速的知识。今天就换一种角度，不再涉及任何专业的物理学术语和复杂的公式，从通俗易懂的故事开始说起。

科学的发展过程与我们个人的学习过程其实是很相似的。比如说，牛顿发表了自然科学数学原理，之后经过一百多年的研究，物理学家们发现很好很适用，与现实世界中的发现都能对得上，自然会信奉牛顿经典力学体系。

而正是这种信任，才会对牛顿力学体系下的伽利略变换深信不疑，更重要的是，伽利略变换的确符合我们的日常生活经验，更符合我们的直觉。而且这个变换经过一百多年的验证，实验结果确实没有发现任何错误。

何为伽利略变换？通俗理解就是平时我们用到的速度叠加。你我分别以每秒5米的速度反向奔跑，我们之间的相对速度就是每秒10米，这很好理解，也很符合我们的日常认知。

就在物理学界大佬们对牛顿力学体系深信不疑，甚至视为“神明”的时候，又一位物理学天才横空出世，他就是麦克斯韦。

麦克斯韦提出了自己的一套理论体系，最终统一了电和磁，表明电和磁原来是一种东西。麦克斯韦的电磁理论中还藏着一个电磁波的传播速度，一个常数c。

关键是，人们发现麦克斯韦的电磁理论太好用了，能解释所有的电磁现象。于是，当时的物理学界把麦克斯韦的电磁理论看做有一个“神明理论”，电磁理论也享受到了与牛顿经典力学的同等待遇。

不过，有个名叫洛伦兹的物理学界大佬，忽然有一天从麦克斯韦的电磁学理论推导过程中发现了一个奇怪的事实，当变换坐标系的时候，竟然不再遵循伽利略变换中的叠加体系，而是要比伽利略变换要复杂得多。

这个复杂的关系事实上就是洛伦兹变换，具体推导过程这里就不再详述了。

不过，即便如此，洛伦兹本人也没有多想，包括他在内的绝大多数物理学家对牛顿力学体系都坚信不疑，即便是洛伦兹变换看起来与牛顿力学体系有冲突，也不意味着牛顿力学体系就有问题，很可能只是这个变换有其他解释，其他说法，所以洛伦兹本人并没有太在意。

不过，随着物理学的不断发展，人们发现洛伦兹变换与牛顿力学体系的冲突和矛盾越来越突出，最终发展到一个不可调和的结果：麦克斯韦电磁理论和牛顿力学体系，两者之中必须有一个对的，而另一个是错的！

直到这时候，物理学界大佬才开始挠头：到底该怎么办？麦克斯韦电磁理论和牛顿力学体系到底哪一个是错的呢？

不管哪一个是错的，他们都是不能接受的，毕竟这两个理论在当时的物理学界大佬眼里都是“神”一般的存在。

但是，矛盾确实就摆在那里，不可能视而不见吧。于是物理学界大佬们就开始“左右逢源”，试图调和两者之间的矛盾，而“以太”的概念就是这种背景下诞生的。

以太，是一种假设概念，被认为是绝对静止的参照系，也是光速的参照系。在牛顿力学体系下，任何速度都需要有参照系才有意义，但麦克斯韦电磁理论推导出来的光速是一个常数，根本没有提到任何参照系。

当时的物理学界普遍不能接受“光速不需要参照系”这个结论，因为如果这个结论成立的话， 意味着牛顿力学体现就是错的。但也不能直接否定“光速不需要参照系”这个结论，毕竟这个结论是麦克斯韦电磁理论推导出来的。

怎么办呢？物理学界大佬们只能做出妥协，假设一种叫做“以太”的东西存在，这种以太充满了宇宙中每个角落，它正是光速的参照系。

但是光假设不行啊，需要通过实验验证才可以，这也正是所谓的“大胆假设，小心求证”。

于是，就有了著名的迈克尔逊莫雷实验，实验的目的就是寻找以太存在的证据。其实除了迈克尔逊和莫雷之外，还有很多物理学家都做过类似的实验。

这里有必要强调一下，很多人认为迈克尔逊莫雷实验证明了光速不变，结果确实是那样的，但那只是后来人们才意识到的。实验的目的只是为了寻找以太存在的证据，并不是为了证明光不变，因为当时的物理学界大佬根本就不相信光速是不变的。

甚至即便是实验结果暗示了光速的确是不变的，不要说其他人了，连迈克尔逊和莫雷两人都不相信实验结果，他们宁愿相信实验过程某个地方出现了差错，也不相信光速真的不变。

为什么？刚才也说了，因为如果光速真的不变，就意味着牛顿力学体系是错的，他们接受不了这样的结果。

所以，当迈克尔逊和莫雷两人看到实验结果之后，他们的第一反应并不是因为发现了“光速不变”的证据而欣喜若狂，反而“忧心忡忡”，开始对实验仪器和实验过程进行重新检查，看看实验仪器是否精确，实验过程是否严谨。在他们内心深处的潜意识里，根本不存在“光速不变”的概念，他们更希望找到以太存在的证据。

不过，无论迈克尔逊和莫雷如何对实验进行改进，结果都指向了“光速不变”，表明以太是不存在的。而且其他物理学家做的类似实验结果也都是如此。

但即便如此，也没有哪位物理学界大佬站出来认定“光速就是不变的”，他们做的只是用更多的假设来满足以太存在的条件，而每一个假设其实就相当于一个“谎言”，说白了，他们只是在用“谎言来掩盖谎言”。但是每一个假设，每一个“谎言”就相当于一个定时炸弹，其中任何一个引爆，都会导致“多米骨牌”效应，所有的“假设和谎言”都会被戳穿，轰然倒塌。

后来物理学界大佬发现，更多的假设不但没有让以太的概念站得住脚，反而引发了更多的矛盾。物理学界一时间也不知道该怎么办了，不知道到底哪里出了问题。

而就在这时候，另一位物理学天才站了出来，他就是爱因斯坦。爱因斯坦认为，既然麦克斯韦方程组已经表明了光速就是一个常数，这就是一个事实，但是以太的概念并不是事实，只是一个假设，况且这种假设也经不起实验的验证，在这种情况下，为何一定要坚持以太的概念呢？为何光速就不能是一个不变的常数呢？

于是，秉承着“如无必要勿增实体”的理念，爱因斯坦拿着“奥卡姆剃刀”痛快地把以太的概念“咔嚓”掉了，提出了“光速不变原理”，在此基础上，狭义相对论应运而生。

奥卡姆剃刀原理虽然不是科学理论，但在很多时候确实管用。按照这个原理，以太的概念确实是累赘，不但没有解决任何问题，反而带来了更多的麻烦。

科学就是这样，任何科学理论都是在假设的基础上建立起来的，但是假设越少越好，因为刚才说了每一个假设就相当于一颗定时炸弹，随时都可能引爆。更关键的是，每个假设都需要经得起实验的验证。

而爱因斯坦仅仅在两个假设的基础上就提出了狭义相对论，这个两个假设分别是：光速不变原理和狭义相对性原理。

爱因斯坦的狭义相对论确实很伟大。

第一，狭义相对论并没有否定麦克斯韦电磁理论，某种意义上讲，恰恰是麦克斯韦电磁理论给了爱因斯坦很多灵感。

第二，狭义相对论也没有完全否定牛顿经典力学，只是表明了牛顿经典力学有些瑕疵，认为牛顿经典力学在低速的情况下非常好用，但一旦速度来到亚光速，就不太好用了。

到这里，很多人会提出更深刻的疑问：为什么光速是不变的呢？为什么要用洛伦兹变换而不是更简单的速度叠加，也就是伽利略变换呢？

不知道。这就是大自然呈现出来的事实，我们不清楚为什么，但我们看到了，事实就是这样，那么我就得相信，事情就是这么发生的，同时所有的物体真的都遵循这样的规律。

就像“重的物体和轻的物体同时落地”一样，事实就是这样，你要问“为什么”，我也不清楚，不仅是我，我相信没有任何人真的明白到底为什么，没有人知道背后真正的底层逻辑。

还有比如说“苹果落地”，苹果为什么落地？你可能会说万有引力，那为什么会有万有引力呢？为什么两个物体就必须相互吸引而不是相互分离呢？

你可能会说“时空弯曲”，那为什么会有“时空弯曲”呢？

发现没有？不管你给出什么样的回答，我总是能一直追问下去。而这种问题其实就像“人们为什么活着”一样，不可能有最终的答案的。

科学就是这样，不断发现各种规律，逐渐接着世界的本质，世界的真相，但用永远找不到最终的真相，不管这个真相是否存在，我们都找不到。正所谓“学海无涯”。

科学正是通过不断发现客观存在的事实，然后才能总结出世界运作的规律，而“光速不变”正是这样的事实，正如“苹果落地”也是这样的事实一样。我们不知道光速为什么不变，光速为什么不能与其他速度叠加，我们只是发现了那个事实罢了。

说白了，光速不变就是假设，也是公理，公理就不需要理由，不需要证明。人们通过各种方式观测到光速真的是不变的，当然会做出“光速不变”这个假设，更何况麦克斯韦电磁理论中，光速的确是一个常数。