光速不变原理光速不变原理其实是狭义相对论的两条基本假设，另外一条是相对性原理。爱因斯坦就是利用这两条基本假设推导出了整个狭义相对论。其实这种方式是很复古的，数学中，欧几里得几何学就是利用5条基本假设，推导出了整个平面几何学，爱因斯坦与此是如出一辙的。 那什么是光速不变原理呢？具体的定义是这样的： 无论在什么样的惯性参照系中进行观察，光在真空中的传播速度相对于观测者都是同一个常数，这个常数不随光源和观测者所在参考系的相对运动而改变。这个常数是299,792,458 m/s。 简单翻译一下就是，无论你在什么位置什么状态下看到光的速度都是一样的，也就我们常说的光速，他不会随着参考系的不同的而不同。 我们可以举个例子来具体感受一下，如果有个人在车上以5m/s的速度运动，他的运动方向与车的运动方向是一致的，而车速是10m/s。请问，如果有个地面观测者，他看到人的速度是多少？ 其实很多人都可以一下子脱口而出，10+5=15m/s。那我们现在这样，如果这个人手里还拿着一个手电筒，并且向前照射，那请问车上的人，地面上的参考者来说，他们看到的光的速度是多少？ 按照上文的方式，实际上的结果就会是，车上的人看到的是光速c；而地面参考者看到的速度就是光速+车速+人运动的速度，也就是（c+15）m/s。 可光速不变原理告诉我们，无论是地面参考者还是车上的人，甚至上天上还有一种鸟在匀速地飞，他们看到的这光的速度都是c。 那么问题来了，为什么会这样的呢？这明明很不符合我们的直觉。 光速不变原理的历史实际上，这事还要从伽利略说起，我们刚才提到的相对性原理，本质上就是伽利略提出来的伽利略变换。那你可能要问了，啥是伽利略变换？ 我们可以简单粗暴地理解成刚才上文用到10+5=15m/s来理解，也就是，判断物体是否运动，其实要先选取参照系。 后来，牛顿在提出他的力学理论时，就引用了伽利略变换。（不过，牛顿的观点是和伽利略稍微有点出入的，这里就不细说了。）而牛顿力学在宏观低速下是和现实情况十分拟合的，大多数的人都在使用牛顿的理论来解决日常的运动学和力学的问题。 牛顿的这套理论其实是真的很准，深受广大学者和人民群众的喜好，甚至还可以拿来预言天体的存在，比如：海王星就是科学家利用牛顿理论仅仅依靠笔和纸就算出来的。 可好景不长，麦克斯韦提出了电磁学理论，用麦克斯韦方程统一了“电”和“磁”，同时预言了电磁波的存在。 麦克斯韦这套理论其实和牛顿理论在物理学史上的地位是有一拼的，麦克斯韦方程可以描述所有关于“电”和“磁”的现象，与牛顿理论一样，这套理论也被广泛接受。照理说，原本这是没啥问题的，可偏偏两者出现了矛盾。这个矛盾源自于，麦克斯韦方程可以推导出光速c=1/ε0μ0。这里的ε0是真空介电常数，而μ是真空磁导率，这两个都是常数，也就是说光速c也是个常数。可这不对啊，因为在牛顿理论中，一个物体的速度到底多少要取决于所选取的参考系，于是两者就出现了矛盾。 所以，从麦克斯韦之后，物理学界就陷入了调和两大理论矛盾的困境之中，这当中有许许多多的人花了大把的时间试图搞清楚其中的原因。当时比较主流的认同是，存在一种叫做“以太”的东西，它是光传播的介质。（在地上，光是一种波是主流观点。波粒二象性还没有被提出来。）这其实就和水波传播需要水作为介质是一回事，假设出来的“以太”就是光的“水”。 但科学家光假设是没办法推动理论发展的，到底对不对还要靠实验和观测。于是，又有大把的实验物理学家想通过实验找到“以太”存在的证据。结果，他们全都失败了。（其中比较有名的就是迈克尔斯莫雷实验。） 爱因斯坦当“以太”不存在已经成为了定局时，科学家又开始思考其他的路径，其中比较有名的就是洛伦兹和庞加莱。他们都曾无限接近于提出狭义相对论，但都失败了。 而爱因斯坦直接抛弃掉了传统的束缚，果断提出了“光速不变原理”，并结合伽利略变换推导出了狭义相对论。可能你要问了，为什么是爱因斯坦提出了光速不变原理，关于这个问题，我觉得杨振宁就说得很有道理，他曾在自己的一篇名为《机遇与眼光》的文章中写到 洛伦兹有数学，但没有物理学；庞加莱有哲学，但也没有物理学； |
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