什么是“光速不变原理”？为什么说它颠覆了20世纪的科学界

光速，相信所有人都知道这个物理学常量，它的速度无比之快，从太阳到地球几亿公里的遥远距离，光只需要8分20秒就到了。它又无比的神秘，科学家们花了几百年的时间，终于第一次捕捉到了它的速度。从恩培多克勒到亚里士多德，从伽利略到笛卡尔，持续几百年的猜想和研究，终于在1676年，丹麦的天文学家奥勒.罗默第一次测出了光速。

当人们知道光是有速度，可传播的之后，便开始孜孜不断探寻光的本质。

牛顿的“神谕”

在当时科学界，对于光到底是什么，有两种截然不同的观点。

一种是以科学界神人，物理学奠基人牛顿爵士为代表的“微粒说”，认为光是一种粒子，就相当于一束光其实是由无数颗特别小的颗粒组成的，不同颜色的光束由不同的粒子组成。

一种是由胡克提出，惠更斯继承的“波动说”，即认为光是一种波，就像我们看到的水面涟漪，以波的形式在空间中传播。

当时这两种理论，都能完美地解释光的直射、折射等现象，两种观点发生了激烈的碰撞。但是天平从一开始就是不平衡的，要知道，当时的牛顿不仅发现了万有引力，提出了三大定律，奠定了力学之基础，还是英国皇家学会的会长，在学界拥有无与伦比的影响力，拥有众多“癞皮狗”，他的观点就如同“神谕”一般被大部分人所追捧。所以长久以来，学界一直被“微粒说”所统治着。

但是，科学，永远是一门追求真理的学科，从不会屈服于任何权贵与势力。

“微粒说”很快受到了一个热爱杂技的英国医生的挑战，托马斯.杨设计出了著名的双缝干涉实验。其实这个实验的原理非常简单，假如我们在空中看到了两只飞来飞去的蚊子，它们的轨迹相交时并不会互相产生影响；而如果我们往水里丢两块石头，当它们产生的波纹互相接近时，就会产生干涉现象。托马斯.杨设立了两块屏幕，第一块屏幕上有两条相互平行的窄缝，光从这两条窄缝中照射过去，打在第二块探测屏幕上。如果光是一种粒子，那探测屏幕上应该会观察到两条对应与窄缝尺寸的图样。但实际上，探测屏上显示出一系列明亮条纹与黯淡条纹相间的图样。

这证明光是有“干涉性”的，也就证明了，光，其实是一种波。

后来科学家们又通过“泊松亮斑”，即光的衍射现象，再一次证明了光的波动性，至此，微粒说暂时退出了人们的视线。

但是更大的问题来了，根据经典力学理论，物质的传播需要介质。比如声波，就依赖于空气或者其他实体才能进行传播，空气是无处不在，所以我们才能随时随地听到不同的声音。这里，本少女也来打破大家常见的一个知识误区，不像科幻小说里有着各种激情澎湃地特效音，真实的太空其实是无声的，因为在真空环境下，声音找不到传播的途径。

那么，光，这种神奇的波，是由什么来传播的呢？当时的科学界，一致认为这东西是：以太。

“以太”和光速不变原则

如果要细数科学史上最浪漫，最神秘的存在，那“以太”一定是排名首位的，这是一个结合了神话与科学，美感与理性共存的物质。最早诞生于古希腊时期，由哲学家亚里士多德提出，以太被认为是物质元素的一种。世界除了是由水、火、气、土组成之外，还有一种居于天空上层的物质：以太。

以太无所不在，无所不包，充满了宇宙空间，是一种充满美感的神造之物。

当科学界终于发现光的波动特性，所有人都开始寻找光的传播介质：一种无所不在，无法察觉，永恒存在于太空中的物质，那不就是以太嘛！至此，以太成为了物理学界的宠儿。

然而，事实再一次证明，除了真理，科学不会向任何人低头。

因为以太过于神秘的特质，证明它的存在，就成了众多科学家们追求的目标，迈克尔孙和莫雷也是其中的两个。

他们提出了一个有意思的假设，如果光的传播介质是以太，且以太充盈着整个宇宙，那么当地球以每秒30公里的速度绕着太阳公转，它必然会遇到每秒30公里“以太风”迎面吹来。那么光速也会因为地球运行的方向而发生变化，就像人在无风的环境中跑步也能感受到风一样，而当我们顺风、逆风、侧风跑的时候，身体的感受会大不一样。所以这两个科学家设计出了一个很聪明的实验，他们将两束光线相互垂直射出，通过镜片将其返回光源，根据以太理论，两束光的传播速度应该不一样，假如其中一道光是沿着地球方向运动的，那另一道光一定和地球运动所造成的“以太风”呈90度，也就是说一道光是顺风而行，一道光是侧风而行，这两道光的速度一定是不一样的。

然而，实验结果简单而充满美感，那就是没有结果。

无论是垂直，相交，斜射，无论测量的仪器再精密，实验再严谨，结果都是一样，光速恒定不变！

光速不变原则极大地震动了学术界，这直接证明了以太是不存在的，这使得“光”更加地神秘起来，它是波，而以太又不存在，那它是如何传播的呢？

电磁学“诸神之战”

在这边疯狂测试以太的时候，电磁学领域早已捷报频传。

自从1819年，物理学家奥斯特无意中发现，通电导线旁边的小磁针会发生偏转以来，科学家们开始逐步对电磁力有了认知。很快，电磁学界迎来了两位天才，一个是实验大师法拉第，还有一个是公式之神麦克斯韦。

首先，法拉第打破了人们对于牛顿经典力学的执着，他发现了电磁感应定律。相信我们上物理课的时候，都曾经被“受力分析”这个大boss所折磨，物理老师苦口婆心地强调方向相反，相反，相反，但年幼无知的我依旧会画错......不过“相反”两个字完美地体现了经典力学的特点，受力和发力方向永远相反。但是电磁力却不同，法拉第发现，电流对磁铁产生的力，并非沿着导线和磁针的连接方向，而是垂直与这个方向，使得人们开始思考，也许牛顿力学并不意味这一切。更重要的是，1846年，法拉第发现，光的偏振面会在磁场中发生偏转，简而言之就是，光似乎与电磁学有着说不清道不明的关系。

但是由于法拉第年幼就辍学，虽然很会做实验，但是理论知识还是技不如人，没能推断出理论方程。

而他的学生：麦克斯韦，接过来老师传递过来的火炬。

19世界众业，麦克斯韦推倒出了传奇性的麦克斯韦方程组，推断出了“电磁波”的存在，并且大胆地猜测，光，就是一种电磁波。1888年，另一位电磁学的重要任务赫兹，在实验室里验证了麦克斯韦理论，至此证明，光，其实是一种电磁波，而电磁波的传播不需要任何介质。

光的二重性和相对论

你以为故事到这里就算结束了吗？不，太天真了。

真理从来都不是绝对的，人们对于真理也从未停下探索的脚步。

在赫兹证明光是一种电磁波的同时，他还发现，光具有粒子性。

光照在不同金属表面，发现的反应并不一样，在当时并没有得到解答。最终，解决这一切争论的神人，爱因斯坦登上了舞台。

1905年，这一年被称为“爱因斯坦奇迹年”，他在这一年连续发表了五篇论文，一篇提出了相对论，一篇奠定了核武器的基础，也就是E=MC^2，还有两篇讨论了原子论和布朗运动，而最后一篇，也是让他最终获得了诺贝尔奖的一篇，就是讨论：光电效应，即光，又具有粒子的特征，又具有光波的特征，所以光具有“波粒二重性”。

至此，所有的争论才最终落下帷幕。但是随着人们研究的步伐不断深入，科学家是否会有更多新发现和理论，本少女拭目以待~