光速不變?cè)?/h2>

光速不變?cè)砥鋵?shí)是狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)，另外一條是相對(duì)性原理。愛(ài)因斯坦就是利用這兩條基本假設(shè)推導(dǎo)出了整個(gè)狹義相對(duì)論。其實(shí)這種方式是很復(fù)古的，數(shù)學(xué)中，歐幾里得幾何學(xué)就是利用5條基本假設(shè)，推導(dǎo)出了整個(gè)平面幾何學(xué)，愛(ài)因斯坦與此是如出一轍的。

那什么是光速不變?cè)砟兀烤唧w的定義是這樣的：

無(wú)論在什么樣的慣性參照系中進(jìn)行觀察，光在真空中的傳播速度相對(duì)于觀測(cè)者都是同一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)不隨光源和觀測(cè)者所在參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而改變。這個(gè)常數(shù)是299,792,458 m/s。

簡(jiǎn)單翻譯一下就是，無(wú)論你在什么位置什么狀態(tài)下看到光的速度都是一樣的，也就我們常說(shuō)的光速，他不會(huì)隨著參考系的不同的而不同。

我們可以舉個(gè)例子來(lái)具體感受一下，如果有個(gè)人在車(chē)上以5m/s的速度運(yùn)動(dòng)，他的運(yùn)動(dòng)方向與車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向是一致的，而車(chē)速是10m/s。請(qǐng)問(wèn)，如果有個(gè)地面觀測(cè)者，他看到人的速度是多少？

其實(shí)很多人都可以一下子脫口而出，10+5=15m/s。那我們現(xiàn)在這樣，如果這個(gè)人手里還拿著一個(gè)手電筒，并且向前照射，那請(qǐng)問(wèn)車(chē)上的人，地面上的參考者來(lái)說(shuō)，他們看到的光的速度是多少？

按照上文的方式，實(shí)際上的結(jié)果就會(huì)是，車(chē)上的人看到的是光速c；而地面參考者看到的速度就是光速+車(chē)速+人運(yùn)動(dòng)的速度，也就是（c+15）m/s。

可光速不變?cè)砀嬖V我們，無(wú)論是地面參考者還是車(chē)上的人，甚至上天上還有一種鳥(niǎo)在勻速地飛，他們看到的這光的速度都是c。

那么問(wèn)題來(lái)了，為什么會(huì)這樣的呢？這明明很不符合我們的直覺(jué)。

光速不變?cè)淼臍v史

實(shí)際上，這事還要從伽利略說(shuō)起，我們剛才提到的相對(duì)性原理，本質(zhì)上就是伽利略提出來(lái)的伽利略變換。那你可能要問(wèn)了，啥是伽利略變換？

我們可以簡(jiǎn)單粗暴地理解成剛才上文用到10+5=15m/s來(lái)理解，也就是，判斷物體是否運(yùn)動(dòng)，其實(shí)要先選取參照系。

后來(lái)，牛頓在提出他的力學(xué)理論時(shí)，就引用了伽利略變換。（不過(guò)，牛頓的觀點(diǎn)是和伽利略稍微有點(diǎn)出入的，這里就不細(xì)說(shuō)了。）而牛頓力學(xué)在宏觀低速下是和現(xiàn)實(shí)情況十分?jǐn)M合的，大多數(shù)的人都在使用牛頓的理論來(lái)解決日常的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的問(wèn)題。

牛頓的這套理論其實(shí)是真的很準(zhǔn)，深受廣大學(xué)者和人民群眾的喜好，甚至還可以拿來(lái)預(yù)言天體的存在，比如：海王星就是科學(xué)家利用牛頓理論僅僅依靠筆和紙就算出來(lái)的。

可好景不長(zhǎng)，麥克斯韋提出了電磁學(xué)理論，用麥克斯韋方程統(tǒng)一了“電”和“磁”，同時(shí)預(yù)言了電磁波的存在。

麥克斯韋這套理論其實(shí)和牛頓理論在物理學(xué)史上的地位是有一拼的，麥克斯韋方程可以描述所有關(guān)于“電”和“磁”的現(xiàn)象，與牛頓理論一樣，這套理論也被廣泛接受。照理說(shuō)，原本這是沒(méi)啥問(wèn)題的，可偏偏兩者出現(xiàn)了矛盾。這個(gè)矛盾源自于，麥克斯韋方程可以推導(dǎo)出光速c=1/ε0μ0。這里的ε0是真空介電常數(shù)，而μ是真空磁導(dǎo)率，這兩個(gè)都是常數(shù)，也就是說(shuō)光速c也是個(gè)常數(shù)?？蛇@不對(duì)啊，因?yàn)樵谂ｎD理論中，一個(gè)物體的速度到底多少要取決于所選取的參考系，于是兩者就出現(xiàn)了矛盾。

所以，從麥克斯韋之后，物理學(xué)界就陷入了調(diào)和兩大理論矛盾的困境之中，這當(dāng)中有許許多多的人花了大把的時(shí)間試圖搞清楚其中的原因。當(dāng)時(shí)比較主流的認(rèn)同是，存在一種叫做“以太”的東西，它是光傳播的介質(zhì)。（在地上，光是一種波是主流觀點(diǎn)。波粒二象性還沒(méi)有被提出來(lái)。）這其實(shí)就和水波傳播需要水作為介質(zhì)是一回事，假設(shè)出來(lái)的“以太”就是光的“水”。

但科學(xué)家光假設(shè)是沒(méi)辦法推動(dòng)理論發(fā)展的，到底對(duì)不對(duì)還要靠實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)。于是，又有大把的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家想通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到“以太”存在的證據(jù)。結(jié)果，他們?nèi)际×?。（其中比較有名的就是邁克爾斯莫雷實(shí)驗(yàn)。）

愛(ài)因斯坦

當(dāng)“以太”不存在已經(jīng)成為了定局時(shí)，科學(xué)家又開(kāi)始思考其他的路徑，其中比較有名的就是洛倫茲和龐加萊。他們都曾無(wú)限接近于提出狹義相對(duì)論，但都失敗了。

而愛(ài)因斯坦直接拋棄掉了傳統(tǒng)的束縛，果斷提出了“光速不變?cè)怼?，并結(jié)合伽利略變換推導(dǎo)出了狹義相對(duì)論?？赡苣阋獑?wèn)了，為什么是愛(ài)因斯坦提出了光速不變?cè)?，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，我覺(jué)得楊振寧就說(shuō)得很有道理，他曾在自己的一篇名為《機(jī)遇與眼光》的文章中寫(xiě)到

洛倫茲有數(shù)學(xué)，但沒(méi)有物理學(xué)；龐加萊有哲學(xué)，但也沒(méi)有物理學(xué)；
正是 26 歲的愛(ài)因斯坦敢于質(zhì)疑人類(lèi)關(guān)于時(shí)間的原始觀念，堅(jiān)持同時(shí)性是相對(duì)的，才能從而打開(kāi)了通向微觀世界的新物理之門(mén)。