光速不變原理講的是什麼？

光速不變原理講的是什麼？

在前面的三期我們已經介紹了狹義相對論、廣義相對論以及相對性原理講的是什麼。這期我們將來重點介紹光速不變原理。

經過不均勻介質，光速減慢

愛因斯坦曾經高度評價自己的「光速不變原理」，他認為，自己的的相對論與牛頓經典物理學的分水嶺就是「光速不變原理」。

光速不變原理的意思是：光的運動速度與光源相對於觀察者的運動無關。也就是說，在任何一個慣性系中的觀察者，不管它相對於光源是否運動，運動速度是多少，測得的同一束光的速度都相同，都是c。

這個我們在前面多少都已經有提到了。但是愛因斯坦當時是怎麼提出光速不變原理的呢？

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我們在介紹相對論二慣性系的時候已經提到，麥克斯韋的電磁理論提出電磁波在真空中的傳播速度是光速，而光就是電磁波。這下問題就大了，根據相對性原理，在不同的慣性系中測量出來的光的速度都是c，這有違人們的常識，也跟牛頓的經典物理學相悖。

於是，物理學界就想，要麼就是相對性原理是錯的，要麼就麥克斯韋是錯的。包括了洛倫茲在內的不少資深學者都對這個問題百思不得其解，甚至洛倫茲等人決定放棄相對性原理來保住麥克斯韋的電磁理論，他們認為麥克斯韋電磁理論只對「以太參考系」成立（也就是相對於絕對空間靜止的那類特殊慣性系），他們於是都走入了歧途。

愛因斯坦不這麼看，他認為，一切的運動都是相對的，相對性原理應該是一條基本的自然規律，應該堅持。而麥克斯韋電磁理論是經過大量的實驗驗證的理論，也應該堅持。那問題出現在哪裡呢？

在這之前有一個小插曲，就是愛因斯坦在讀中學的時候，曾經思考過一個思想實驗：假設一個運動員，他的運動速度達到光速，也就是追光，這時候這名運動員應該能看到一個不依賴於時間的波場。然並卵，有誰見過這樣的東西呢？沒有！這個有趣的問題表明了一個問題，人們似乎不可能追上光速，光相對於觀測者一定有運動速度。通常的速度疊加法則好像不太適用。這個問題愛因斯坦一直在腦里思考。

另外，天文望遠鏡對雙星軌道的觀測，支持光速與光源的運動無關的觀點。（如下圖所示）如果光速與光源的運動速度有關，雙星中向著我們運動靠近我們的那顆星和背著我們運動離開我們的那顆星發出的光，在傳播到地球的過程中由於光速不一樣，同時發出的光會先後到達，這樣觀測者看到的雙星軌道應該產生畸變。可是我們看到的並不是這樣的！

經過長期的思考，愛因斯坦最後覺得問題就出現在以太論的絕對時空上！他認識到速度疊加法則並非物理學的根本原理，這個法則也不等價於「相對性原理」的數學表達。「光速不變原理」才是應該堅持的基本原理。於是，偉大的愛因斯坦就提出了並命名了「光速不變原理」。

愛因斯坦正是基於「光速不變原理」和「相對性原理」這兩條基本原理建立起了相對論的大廈，並且久經考驗仍舊毅力不倒。愛因斯坦用他的偉大事迹告訴我們一個活生生的事實：常識是常常欺騙我們的！一切的物理定律都要歷經實驗的反覆檢驗才有可能成為真理的近似者為人們所接受！

（下期預告：

相對論介紹五：火箭或者任何有質量的物質可能被加速到光速嗎？光速為什麼是極限速度？）