深度长文：什么是光速不变原理？光速为什么不变？

何为光速不变原理？

我们都知道，光在真空中的速度是每秒30万公里，很多人认为这就是“光速不变”。其实不然，光速不变指的是“真空中的光速对任何观察者来说都保持不变”。

在爱因斯坦的狭义相对论里，光速不变指的是，在任何惯性系下，光的传播速度都是一个常数，不会随光源的运动或者观察者所在的参照系的变化而发生改变。

下面来举例具体说明。

日常生活经验告诉我们，任何运动速度必须有参照系才有意义，就比如我们平常所讲的速度，基本上都默认地面为参照系。

还有，速度都是相对的，不同的参照系下，一个物体的速度也是不同的。这种现象在我们日常生活中很常见，最明显的例子，你和朋友乘坐一辆小汽车在高速公路上行驶，汽车时速是100公里，我静止在地面上。

在我眼里，你的时速当然就是100公里，但是在你朋友眼里，你的速度为零，你是静止的。

那么，有没有什么物体的运动与参照系的选择没有任何关系呢？也就是说，不管你在什么运动状态下，在什么参照系下测量，测量出来的结果都是一样的？

真的存在这样的物体，它就是光。光的速度不会因参照系的不同而发生改变。举个例子来说明光速不变。

有一列火车，速度为V，你在火车车厢顶部，手里拿着手电筒，打开手电筒，一束光发射出去。我静止在地面上。

在你眼里，那束光的速度是多少呢？很显然就是光速C。因为手电筒和你一起随着火车运动。

那么在我眼里，那束光的速度是多少呢？按照我们平时用到的速度叠加公式，应该是光的速度加上火车速度，也就是C+V。

但其实并不是C+V，而仍旧是光速C，这就是光速不变原理，光的速度不会因为任何物体运动状态的改变以及参照系的选择而发生改变，也就是说：光速是绝对的，不需要参照系。或者说光速在任何参照系下都保持不变。

光就是如此霸道，不管你是静止还是运动，不管你的运动速度有多快，光都会以光速超过你。即便你以0.9倍光速追赶一束光，这束光在你眼里仍旧以光速飞行。

这完全违背了我们的日常生活经验，竟然存在绝对的速度。但事实确实如此，而且麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中，光速也是一个常数，公式中并没有提到任何参照系。

光速不变看起来很简单，不过物理学家们发现并接受光速不变却是一个相当复杂漫长的过程，为什么？

因为光速不变意味着光速是绝对的，与参照系的选择无关，而光速的这种特性给刚刚建立起来的物理学大厦带来了致命冲击，甚至意味着物理学大厦要轰然倒塌，这让当时的物理学大佬很头疼，更难以接受。

在爱因斯坦提出相对论之前，物体的相对运动理论是物理学的基础，包括牛顿经典力学在内的所有运动理论都是建立在相对运动基础上的，而相对运动理论又是以绝对时空观为背景的。

相对运动理论非常符合人们的日常生活经验，当时的物理学界大佬也坚信以相对运动理论为基础，具体来讲，以牛顿经典力学为基础，物理学大厦已经建设得差不多了，剩下的只需要小修小补就行了。

没想到“光速不变”横空出世，犹如一颗炸弹，引爆了当时的物流学界。麦克斯韦方程组推导出来的光速是一个常数，没有参照系，这并不符合相对运动。看起来麦克斯韦方程组与牛顿经典力学似乎出现了矛盾，如何化解两者之间的矛盾呢？

牛顿经典力学统治了物理学界几百年，早就被人们奉为神明，但麦克斯韦方程组也不是吃素的，同样伟大，统一了电和磁，堪称人类历史上最伟大的方程。当时的物理学家们谁都不敢得罪，于是就用了一个“中庸”的方式协调两者之间的矛盾。

说是“协调”，其实下意识里还是支持“牛顿经典力学”，因为当时的物理学家协调的方式还是让“光速不变”遵循牛顿经典力学，而不是让经典力学遵循“光速不变”。

也能够理解当时物理学家的做法，毕竟对于统治物理学界几百年的牛顿经典力学，不是说推翻就能推翻的。如果牛顿经典力学被推翻了，意味着几乎所有的物理学理论都要重来。（如今我们知道，光速不变不能算是推翻牛顿经典力学，只是牛顿经典力学的适用范围有限罢了）

当时的物理学家们是这样想的，宇宙浩瀚的空间就像一个很大的空箱子，箱子里装着很多东西，就是我们平时看到的万事万物，比如说行星，恒星，黑洞，星际云等等物质，所有这些物质都分布在箱子的不同角落里。

箱子里的所有东西相对箱子静止！

实际上，这个“箱子”就是物理学家眼里的“绝对空间”，绝对静止的参照系。之所以是“绝对静止”的，因为宇宙空间的存在与空间里的东西没有任何关系，不依赖里面的东西而存在。即便是空间里的行星恒星等东西都不存在，空间也是存在的，只是一个“空”的宇宙罢了。

这就像是我们数学课上画一个坐标，即使坐标上没有任何点，但坐标仍旧是存在的。

这里就有一个问题：空间里的哪些物体相对空间本身静止？如果我们能找到这个“绝对静止”的物体，自然就证明了绝对空间。然后利用这个绝对静止的物体为参照系，就可以描述其他物体的具体运动状态了。

当时的物理学界大佬并没有找到这样的物体，于是假设“以太”就是这种“绝对静止”的物质，并提出光的传播介质就是以太，光相对以太以光速传播，以太充满了宇宙每个角落，同时具有完全透明，刚性，没有质量。

最关键的一点是，以太就是相对绝对空间静止的物质。

既然以太是绝对静止的，那么当物体运动时，比如说地球的运动就会迎面吹过来一阵“以太风”，就像我们在跑步时，即使当时没有风，我们也会感觉静止的空气迎面吹来。

于是，我们就可以通过这种方式测量出以太风的速度，这个速度其实就是地球在空间中的绝对速度。

但是科学是严谨的，绝非儿戏。以太的概念虽然看起来很完美，但毕竟它只是假设的概念，需要实验证据来支撑，这也是科学上所谓的“大胆假设，小心求证”，物理学家们必须找到以太存在的证据，否则就以太的概念就没有任何实际意义。

著名的迈克尔逊莫雷实验，目的就是寻找以太存在的证据，当然物理学家们做了不止一次类似的实验，但结果都表明：以太并不存在。

以太理论一下子陷入了僵局。如何打破这种僵局呢？

还得伟大的爱因斯坦出面，爱因斯坦提出，任何惯性参照系都是平等的，都是相对的，宇宙中并不存在绝对参照系。

这就是相对性原理。如果没有绝对参照系，意味着以太就不存在，光速就是不变的，绝对的。于是，在相对性原理和光速不变原理的基础上，爱因斯坦提出了伟大的狭义相对论

但是，物理学界很多大佬并不能接受“没有绝对参照系”这个事实，因为果真如此的话，人类甚至不知道地球到底在宇宙中哪个位置，也不知道地球的运动到底有多快。而这就意味着人类对任何物体的运动状态都是“无知”的，这种“无知”让人们很沮丧。

不过，爱因斯坦有自己的思路。爱因斯坦之所以牛逼，就在于他不同寻常的思维方式。爱因斯坦不再用经典的相对运动去诠释光速不变，直接把“光速不变”当做一个基本假设，也可以认为是公理。

既然“光速不变”也是假设，本质上与“以太”的概念是一样的，两者都是假设。但不同的是，以太这个概念没有找到任何存在的证据，而“光速不变”的证据十分充足，科学家通过很多实验都表明，光速确实是不变的。

而在光速不变和相对性原理基础上建立起来的狭义相对论，经过一百多年的不断验证，至今都没有发现相对论被证伪的情况，说明相对论是站得住脚的。

爱因斯坦的相对论推翻了之前统治物理学界几百年的绝对时空观，是否意味着牛顿经典力学就被推翻了呢？

并不是，相对论只是扩大了牛顿经典力学的适用范围，从低速世界扩展到高速世界。而由于我们生活在低速世界，所以，如今统治我们生活的仍旧是牛顿经典力学。

能够看出，人类其实并不知道为什么“光速不变”，只是发现了“光速确实是不变的”这个事实而已。也就是说，对于光速不变，我们“自知其然不知其所以然”。

你也可以简单认为光速不变就是公理，无需证明，也没有办法最终证明，这是科学的可证伪性决定的。

总结

无法理解光速不变和相对论的伙伴们，基本上都是因为没有抛弃绝对空间概念，还在以经典的相对运动理论来思考问题。网络上有很多人经常提出各种假设，试图完成超光速，从而推翻相对论，其实那些假设的本质都是建立在绝对时空上的，比如说“在光速飞船上奔跑，是否超过了光速？”等等。

我想说的是，人类科学的发展很多时候依赖于我们的日常生活经验，但由于我们只是生活在地球这个狭小的空间里，对世界的认知一定存在很大的局限性，也造成我们的日常生活经验也会有局限性，也可能是不可靠的。

光速不变就是这样，它不符合我们的日常生活经验，但符合实验的验证结果，实验结果当然比我们的生活经验更可靠。