如何徹底搞懂狹義相對論里的「光速不變」？

為什麼很多人覺得光速不變難以理解呢？因為大部分人一開始聽到光速不變的時候，總會下意識的根據自己時空觀和經驗的理解得到一個自己的答案。但其實，我們在說光速不變的時候，常常包含三個不同層面的意思，把這三個不同層面的光速不變都搞懂了，所有的疑惑才能迎刃而解。

1、光在同一媒介中的傳播速度不變

光在不同的媒介中傳播速度是不同的（但這並不是說光傳播需要它們作為介質，僅僅表達光在他們之中穿過而已，光的傳播不需要任何介質），比如在真空中傳播的速度最快，在空氣、水、玻璃中傳播速度要慢一些，但是光在同一媒介中傳播速度是不變的，這是由電磁學規律決定的。

我們現在都知道光其實是一種電磁波，那麼光必然也遵循麥克斯韋方程組，從麥克斯韋方程組可以很容易的推導出光速（電磁波速度）：

其中 ε是介電常數，μ是磁導率，它們在同一介質中都是固定常數，從這裡也可以很容易的看出光在同一介質中的速度是不變的常數，它只和介質中介電常數和磁導率有關。

2、光速不隨光源的運動而變化

要理解光速不隨光源的運動而變化還是很簡單的，其實不光是光這種電磁波，我們普通的水波也是這樣。

打過水漂的人應該都有印象：將一塊石頭在水面上以一個非常小的夾角快速扔出去，在水面上就會形成一連串的水波，而且，所有的水波都是圓形的。這說明了什麼？這說明雖然石頭在快速的朝前方運動，但是水波的速度並沒有改變。如果順著石頭方向的波速大於逆著石頭運動方向的波速，那我們看到的水漂形成的水波應該是一個被拉伸的扁的橢圓形，但是我們看到的卻是標準圓形，告訴我們水波波源的運動並沒有影響波速。

我們可以這麼直觀的去理解這個事：水波的傳播主要是靠水相鄰點的振動傳出去的，石頭在水面上飛行的時候，雖然石頭在運動，但是作為介質的水並沒有參與到其中的運動里來，所以沒影響。那我們再考慮電磁波，電磁波的傳播是電場和磁場相互感應產生的，所以電磁波傳播的速度其實是電場和磁場相互感應產生的速度，難道光源運動會改變電場產生磁場的速度？這想想也不可能。

所以，光速不隨光源的運動而變化其實是很多波的通用性質，大部分人也容易理解，真正難以理解的是下面的一條。

3、真空中的光速不隨參考系的變化而變化

這是光速不變最難以理解的地方，也是許多困惑和爭議的根源，在這裡，光和水波聲波這類機械波表現出了本質的不一樣。

我還是以水波為例，假設我們在一輛平穩的火車上放了一個水池，一個石頭落在水池裡產生了一個水波。那麼，假設我先以火車為參考系，在火車裡面的人看到水波有一個速度，然後我再以地面為參考系，我在路邊的人看火車裡的水波傳播速度，那麼這兩個速度肯定不一樣，我在地面上看到的水波的傳播速度肯定是火車的速度加上火車裡觀察到的水波的速度。

這就說明，在不同的參考系裡（火車裡面的人和地面上的人）看到的水波的速度是不一樣的，就是說水波的速度是隨著參考系的變化而變化的。但是，光波不！！！

光就是這麼有個性：我在火車（假設在真空中）上發一束光，測得的速度是光速c，我在地面上再測那束光的速度，他還是光速c。你以為你在地面上測的光速會等於火車上的測的光速加上火車的運行速度么？恭喜你，你跟物理學史上最偉大的物理學家之一的牛頓想法一致，但是這是錯的，無數的實驗無情的否定了這個想法。

而這個光速不變，也就是光速不隨參考系的變化而變化，才是作為狹義相對論的根基的那個光速不變。

另一個愛因斯坦

很多人在講相對論的時候總喜歡把邁克爾遜-莫雷實驗用來當做愛因斯坦提出相對論的關鍵根基，為什麼喜歡這樣？因為這樣的套路用來講物理故事非常的好：首先是實驗發現一個異常現象，原來的理論無法解釋，然後新的科學巨人通過對實驗的分析大膽的提出了新的理論完美的解釋了這個奇怪的現象，然後新理論預言的新東西被實驗證實，然後新理論的獲得了巨大的成功。

這種故事很具有「科學性」，案例也很多，因此很多教材喜歡這樣用，但是並不是所有的理論發現都是這樣套路，起碼狹義相對論並不是這樣。愛因斯坦這種超天才理論物理學家，他不是看到邁克爾遜-莫雷實驗之後才發現光速不對勁，而是從理論上看到了麥克斯韋方程組，也就是電磁學和牛頓力學產生的不協調開始思考的。

愛因斯坦大學的時候基本沒怎麼上課，而是像瘋子一樣瘋狂的閱讀麥克斯韋電磁學方面的著作，我們在第一條光速不變的時候用麥克斯韋方程組推出了一個光速的公式：

這個公式奇怪的地方就在於：它的確準確無誤的給出了光速的計算公式，給出了一個速度值，但是，這個速度是相對誰的速度？是哪個參考系下的速度？我們都知道，在牛頓力學裡，單獨的談論速度是沒有任何意義的，速度速度，一定是相對誰的速度，或者是某個參考系裡的速度，你現在在這裡玩手機沒動，但是以太陽為參考系，地球帶著你運動，你「坐地日行八萬里」。在牛頓的體系里你算任何速度都會有參考系，但是我們的麥克斯韋同學硬生生的在沒有任何參考系的的情況下邏輯嚴密的給你推導出一個光速出來了？這算誰的？你認不認？

牛頓是物理學界的神，麥克斯韋在那個年代簡直是上帝的代表，麥克斯韋方程組簡單優美得完全不像是人間的產物，但是他們矛盾了，怎麼辦？

放不下牛頓體系的人堅持認為凡是速度必定有參考系，麥克斯韋方程組倒出的光速不是沒有參考系，而是以以太為參考系（牛頓絕對時空里的絕對參考系），所以，只要我們通過實驗證明了光速會相對以太運動，那麼不就是證明了以太存在，證明了牛頓大神的絕對空間完美無缺了么，於是他們開始做實驗，後面的事情大家都知道了。

愛因斯坦不一樣，小愛同學可能因為年紀比較輕，思維比較前衛沒有什麼歷史包袱。愛因斯坦想：麥克斯韋導出的光速沒有指定參考系，你們非要強塞一個什麼絕對的以太作為參考系，但是不對啊，如果電磁學的規律真的都是在以太這個參考繫上的，那麼豈不是說我在做電磁學實驗的時候，面對著以太和背對著以太的實驗效果是不一樣？難道我的電流電壓會因為我的儀器是正拿倒拿不一樣？如果真的有以太，那以太的方向速度要怎麼定呢，上帝拼什麼選這樣一個方向和速度？沒道理啊。

總之，小愛同學發現，如果要引入以太這種絕對參考系，那麼他會帶來無數更多的麻煩，用一個以太在光速這裡打了一個補丁，在其他地方至少要多出現十個補丁，但是如果我捨棄以太，事情反而就變簡單了。秉著上帝是個懶人的思想，小愛同學拿著奧卡姆剃刀直接把以太砍了。

愛因斯坦認為，與其為了給光速找一個特定參考系引入這麼多麻煩，倒不如直接假定光速在所有參考系裡都是一樣的，麥克斯韋方程組給出的光速沒有指定參考系，那是因為這個光速在所有的參考系裡都是不變的。

所以愛因斯坦做了一個假定，沒錯，就是一個假定：真空中的光速在所有參考系中都是一樣的。然後以此為出發點，加上一個相對性原理（物理學在一切慣性系中都有相同的表達形式），邏輯嚴密的構建出了狹義相對論大廈，如果你承認這這兩條假設，那麼狹義相對論推導出來的其他所有的結論推論（尺縮鐘慢雙生子啥的）你都得無可辯解的接收。

光速不變是真理嗎？

上面我們做了一個非常重要的陳述，也希望所有對此有疑惑的人一定要記住：相對論的光速不變只是一個假定，假定假定。

這個類似於數學體系里的公理，公理就是無法證明其對錯，如果你想玩就得接受的東西。數學體系里有很多理論，你完全可以提出一些自己的公理，然後根據這些公理推導出一些有用的定理，但是你必須得保證你自己構建的這個體系是自洽的，說簡單點就是要能自圓其說，別從你的體系里推導出一條定理說三角形內角和為180°，又一個定理里說三角形內角和為240°，這樣你的理論就直接破產了。

如果你的體系是自洽的，能夠自圓其說的解釋一些事情，別人要不要信你，就是別人的自由了。而狹義相對論就是這樣一個自洽的體系，從邏輯上你絕對挑不出它的問題，你能做懷疑的，就只有那兩條假定。所以，光速不變不是什麼真理，或者推導證明出來的定理，它只是相對論體系的一個假設。

你完全可以不承認光速不變，那麼，就得煩請你自己去找個辦法協調牛頓力學和麥克斯韋電磁學之間的矛盾了。

「什麼，你找不到好的辦法來協調牛頓力學和麥克斯韋電磁學之間的矛盾？那就暫時接受相對論唄，看人家把問題解決得如此完美的，接受一個光速不變這麼難么？」

「不，我就是打死不承認光速不變，我找不到其他的方法來協調牛頓力學和電磁學也不承認它。」

「為什麼啊？愛因斯坦招你惹你了，跟你有殺父之仇還是奪妻之恨啊？」

「都不是，因為愛因斯坦是權威，是最牛逼的物理學家，如果我反對愛因斯坦，反對相對論，豈不是顯得我非常的牛逼？」

「……」

光速不變的未來展望

既然每個人都可以定義自己的公理，構建自己的體系，那麼，可不可能在以後的一個新的體系里，光速不變不再是作為假定出現，而是作為一條普通的定律出現呢？

當然有可能，只不過，那時候你為了把光速不變從現在的假設變成定律，肯定又得接受一個更加深刻基本的假定。那套新的理論一定是包含相對論的，但是也能解決相對論解決不了的事情，科學就是在這樣的過程中慢慢進步的，我們對宇宙對世界的認識也是這樣逐漸變深刻的。但是，即便到了那個時候，你能說相對論是錯的么？就像我們現在都知道牛頓力學只是相對論在速度遠低於光速情況下的一個特例，但是你能說牛頓錯了么？

大眾媒體為了吸引眼球會這麼說，但是真正的科學家是不會這麼說的。

當然，也完全有可能在我們發現光速不變是錯的，也許光速不變只是在某個特殊情況下的特例，那也沒事，不經歷這個階段，我們怎麼達到後面那個境界呢？

宇宙常數

現代的物理學家普遍認為光速是一個宇宙常數，就像是圓周率這樣的常數，在我們的三維空間里理解這個很困難呢，但是，在四維時空里這確實很平常的事情。在統一的四維時空（不是簡單的時間+空間）里，任何物理的速度都是光速，你現在也是光速，靜止不動的物體在時間維度上飛速流逝，而飛速運動的物體在時間維度上會減慢，而時間空間的矢量和，不多不少正好是光速。也就是說，所有在時空中的物體都是在以光速運動，時間上跑得快的空間上動得慢，反之亦然。

這個說得有點遠了，關於光速不變的事就先說到這裡了，所有物體在時空中都是光速的事以後在說。

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