如何彻底搞懂狭义相对论里的“光速不变”？

为什么很多人觉得光速不变难以理解呢？因为大部分人一开始听到光速不变的时候，总会下意识的根据自己时空观和经验的理解得到一个自己的答案。但其实，我们在说光速不变的时候，常常包含三个不同层面的意思，把这三个不同层面的光速不变都搞懂了，所有的疑惑才能迎刃而解。

1、光在同一媒介中的传播速度不变

光在不同的媒介中传播速度是不同的（但这并不是说光传播需要它们作为介质，仅仅表达光在他们之中穿过而已，光的传播不需要任何介质），比如在真空中传播的速度最快，在空气、水、玻璃中传播速度要慢一些，但是光在同一媒介中传播速度是不变的，这是由电磁学规律决定的。

我们现在都知道光其实是一种电磁波，那么光必然也遵循麦克斯韦方程组，从麦克斯韦方程组可以很容易的推导出光速（电磁波速度）：

其中 ε是介电常数， μ是磁导率，它们在同一介质中都是固定常数，从这里也可以很容易的看出光在同一介质中的速度是不变的常数，它只和介质中介电常数和磁导率有关。

2、光速不随光源的运动而变化

要理解光速不随光源的运动而变化还是很简单的，其实不光是光这种电磁波，我们普通的水波也是这样。

打过水漂的人应该都有印象：将一块石头在水面上以一个非常小的夹角快速扔出去，在水面上就会形成一连串的水波，而且，所有的水波都是圆形的。这说明了什么？这说明虽然石头在快速的朝前方运动，但是水波的速度并没有改变。如果顺着石头方向的波速大于逆着石头运动方向的波速，那我们看到的水漂形成的水波应该是一个被拉伸的扁的椭圆形，但是我们看到的却是标准圆形，告诉我们水波波源的运动并没有影响波速。

我们可以这么直观的去理解这个事：水波的传播主要是靠水相邻点的振动传出去的，石头在水面上飞行的时候，虽然石头在运动，但是作为介质的水并没有参与到其中的运动里来，所以没影响。那我们再考虑电磁波，电磁波的传播是电场和磁场相互感应产生的，所以电磁波传播的速度其实是电场和磁场相互感应产生的速度，难道光源运动会改变电场产生磁场的速度？这想想也不可能。

所以，光速不随光源的运动而变化其实是很多波的通用性质，大部分人也容易理解，真正难以理解的是下面的一条。

3、真空中的光速不随参考系的变化而变化

这是光速不变最难以理解的地方，也是许多困惑和争议的根源，在这里，光和水波声波这类机械波表现出了本质的不一样。

我还是以水波为例，假设我们在一辆平稳的火车上放了一个水池，一个石头落在水池里产生了一个水波。那么，假设我先以火车为参考系，在火车里面的人看到水波有一个速度，然后我再以地面为参考系，我在路边的人看火车里的水波传播速度，那么这两个速度肯定不一样，我在地面上看到的水波的传播速度肯定是火车的速度加上火车里观察到的水波的速度。

这就说明，在不同的参考系里（火车里面的人和地面上的人）看到的水波的速度是不一样的，就是说水波的速度是随着参考系的变化而变化的。但是，光波不！！！

光就是这么有个性：我在火车（假设在真空中）上发一束光，测得的速度是光速c，我在地面上再测那束光的速度，他还是光速c。你以为你在地面上测的光速会等于火车上的测的光速加上火车的运行速度么？恭喜你，你跟物理学史上最伟大的物理学家之一的牛顿想法一致，但是这是错的，无数的实验无情的否定了这个想法。

而这个光速不变，也就是光速不随参考系的变化而变化，才是作为狭义相对论的根基的那个光速不变。

另一个爱因斯坦

很多人在讲相对论的时候总喜欢把迈克尔逊-莫雷实验用来当做爱因斯坦提出相对论的关键根基，为什么喜欢这样？因为这样的套路用来讲物理故事非常的好：首先是实验发现一个异常现象，原来的理论无法解释，然后新的科学巨人通过对实验的分析大胆的提出了新的理论完美的解释了这个奇怪的现象，然后新理论预言的新东西被实验证实，然后新理论的获得了巨大的成功。

这种故事很具有“科学性”，案例也很多，因此很多教材喜欢这样用，但是并不是所有的理论发现都是这样套路，起码狭义相对论并不是这样。爱因斯坦这种超天才理论物理学家，他不是看到迈克尔逊-莫雷实验之后才发现光速不对劲，而是从理论上看到了麦克斯韦方程组，也就是电磁学和牛顿力学产生的不协调开始思考的。

爱因斯坦大学的时候基本没怎么上课，而是像疯子一样疯狂的阅读麦克斯韦电磁学方面的著作，我们在第一条光速不变的时候用麦克斯韦方程组推出了一个光速的公式：

这个公式奇怪的地方就在于：它的确准确无误的给出了光速的计算公式，给出了一个速度值，但是，这个速度是相对谁的速度？是哪个参考系下的速度？我们都知道，在牛顿力学里，单独的谈论速度是没有任何意义的，速度速度，一定是相对谁的速度，或者是某个参考系里的速度，你现在在这里玩手机没动，但是以太阳为参考系，地球带着你运动，你“坐地日行八万里”。在牛顿的体系里你算任何速度都会有参考系，但是我们的麦克斯韦同学硬生生的在没有任何参考系的的情况下逻辑严密的给你推导出一个光速出来了？这算谁的？你认不认？

牛顿是物理学界的神，麦克斯韦在那个年代简直是上帝的代表，麦克斯韦方程组简单优美得完全不像是人间的产物，但是他们矛盾了，怎么办？

放不下牛顿体系的人坚持认为凡是速度必定有参考系，麦克斯韦方程组倒出的光速不是没有参考系，而是以以太为参考系（牛顿绝对时空里的绝对参考系），所以，只要我们通过实验证明了光速会相对以太运动，那么不就是证明了以太存在，证明了牛顿大神的绝对空间完美无缺了么，于是他们开始做实验，后面的事情大家都知道了。

爱因斯坦不一样，小爱同学可能因为年纪比较轻，思维比较前卫没有什么历史包袱。爱因斯坦想：麦克斯韦导出的光速没有指定参考系，你们非要强塞一个什么绝对的以太作为参考系，但是不对啊，如果电磁学的规律真的都是在以太这个参考系上的，那么岂不是说我在做电磁学实验的时候，面对着以太和背对着以太的实验效果是不一样？难道我的电流电压会因为我的仪器是正拿倒拿不一样？如果真的有以太，那以太的方向速度要怎么定呢，上帝拼什么选这样一个方向和速度？没道理啊。

总之，小爱同学发现，如果要引入以太这种绝对参考系，那么他会带来无数更多的麻烦，用一个以太在光速这里打了一个补丁，在其他地方至少要多出现十个补丁，但是如果我舍弃以太，事情反而就变简单了。秉着上帝是个懒人的思想，小爱同学拿着奥卡姆剃刀直接把以太砍了。

爱因斯坦认为，与其为了给光速找一个特定参考系引入这么多麻烦，倒不如直接假定光速在所有参考系里都是一样的，麦克斯韦方程组给出的光速没有指定参考系，那是因为这个光速在所有的参考系里都是不变的。

所以爱因斯坦做了一个假定，没错，就是一个假定：真空中的光速在所有参考系中都是一样的。然后以此为出发点，加上一个相对性原理（物理学在一切惯性系中都有相同的表达形式），逻辑严密的构建出了狭义相对论大厦，如果你承认这这两条假设，那么狭义相对论推导出来的其他所有的结论推论（尺缩钟慢双生子啥的）你都得无可辩解的接收。

光速不变是真理吗？

上面我们做了一个非常重要的陈述，也希望所有对此有疑惑的人一定要记住：相对论的光速不变只是一个假定，假定假定。

这个类似于数学体系里的公理，公理就是无法证明其对错，如果你想玩就得接受的东西。数学体系里有很多理论，你完全可以提出一些自己的公理，然后根据这些公理推导出一些有用的定理，但是你必须得保证你自己构建的这个体系是自洽的，说简单点就是要能自圆其说，别从你的体系里推导出一条定理说三角形内角和为180°，又一个定理里说三角形内角和为240°，这样你的理论就直接破产了。

如果你的体系是自洽的，能够自圆其说的解释一些事情，别人要不要信你，就是别人的自由了。而狭义相对论就是这样一个自洽的体系，从逻辑上你绝对挑不出它的问题，你能做怀疑的，就只有那两条假定。所以，光速不变不是什么真理，或者推导证明出来的定理，它只是相对论体系的一个假设。

你完全可以不承认光速不变，那么，就得烦请你自己去找个办法协调牛顿力学和麦克斯韦电磁学之间的矛盾了。

“什么，你找不到好的办法来协调牛顿力学和麦克斯韦电磁学之间的矛盾？那就暂时接受相对论呗，看人家把问题解决得如此完美的，接受一个光速不变这么难么？”

“不，我就是打死不承认光速不变，我找不到其他的方法来协调牛顿力学和电磁学也不承认它。”

“为什么啊？爱因斯坦招你惹你了，跟你有杀父之仇还是夺妻之恨啊？”

“都不是，因为爱因斯坦是权威，是最牛逼的物理学家，如果我反对爱因斯坦，反对相对论，岂不是显得我非常的牛逼？”

“……”

光速不变的未来展望

既然每个人都可以定义自己的公理，构建自己的体系，那么，可不可能在以后的一个新的体系里，光速不变不再是作为假定出现，而是作为一条普通的定律出现呢？

当然有可能，只不过，那时候你为了把光速不变从现在的假设变成定律，肯定又得接受一个更加深刻基本的假定。那套新的理论一定是包含相对论的，但是也能解决相对论解决不了的事情，科学就是在这样的过程中慢慢进步的，我们对宇宙对世界的认识也是这样逐渐变深刻的。但是，即便到了那个时候，你能说相对论是错的么？就像我们现在都知道牛顿力学只是相对论在速度远低于光速情况下的一个特例，但是你能说牛顿错了么？

大众媒体为了吸引眼球会这么说，但是真正的科学家是不会这么说的。

当然，也完全有可能在我们发现光速不变是错的，也许光速不变只是在某个特殊情况下的特例，那也没事，不经历这个阶段，我们怎么达到后面那个境界呢？

宇宙常数

现代的物理学家普遍认为光速是一个宇宙常数，就像是圆周率这样的常数，在我们的三维空间里理解这个很困难呢，但是，在四维时空里这确实很平常的事情。在统一的四维时空（不是简单的时间+空间）里，任何物理的速度都是光速，你现在也是光速，静止不动的物体在时间维度上飞速流逝，而飞速运动的物体在时间维度上会减慢，而时间空间的矢量和，不多不少正好是光速。也就是说，所有在时空中的物体都是在以光速运动，时间上跑得快的空间上动得慢，反之亦然。

这个说得有点远了，关于光速不变的事就先说到这里了，所有物体在时空中都是光速的事以后在说。