首先帶大家了解一下什么是光速不變原理？
要理解光速不變原理。首先要有拋棄固有的思維模式的思想準(zhǔn)備，否則不容易理解。因?yàn)閻垡蛩固惯@個(gè)理論有點(diǎn)離經(jīng)叛道。
我們都知道，描敘一個(gè)運(yùn)動(dòng)，必須有參考系才有意義。說一列火車時(shí)速100公里，是相對地面這個(gè)參考系。如果測量者跟著火車跑，測得的火車相對速度會(huì)小于時(shí)速100公里。如果測量者是迎面過來，測得的火車相對速度就會(huì)大于時(shí)速100公里。這是一個(gè)經(jīng)典力學(xué)中很基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)觀，也切合我們的生活經(jīng)驗(yàn)，十分容易理解。
那么，有沒有什么運(yùn)動(dòng)與參考系無關(guān)呢？也就是說，不管你與被測量的火車有沒有相對運(yùn)動(dòng)，都不會(huì)影響你的測量結(jié)果。你站在地面上，或者與火車并行，或者逆行，這三種情況測出來的速度，都會(huì)是同樣的時(shí)速100公里。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為這是不可能的。
想象一下，當(dāng)你站在地面上，看到有兩列火車A和B以同樣速度并肩而行，你測得他們的時(shí)速是100公里。當(dāng)你登上火車B，按照普通物理的常識(shí)，你應(yīng)該看到火車A與你相對靜止。是不？萬一，如果你發(fā)現(xiàn)火車A還在以100公里的時(shí)速超越你。這時(shí)，恭喜你看到了宇宙奇跡：火車A的運(yùn)動(dòng)與參照系無關(guān)！
一個(gè)物體，不管你是靜止不動(dòng)還是跑得有多快，它都會(huì)以100公里的時(shí)速超過你。這就是“運(yùn)動(dòng)與參照系無關(guān)”。 可是，這完全……你會(huì)搖搖頭表示這種現(xiàn)象是完全不會(huì)存在的。
可是在麥克斯韋方程里，電磁波的速度就與參考系無關(guān)。也就是說，不管你以任何速度存在，你看到的光速永遠(yuǎn)是恒定的。
你會(huì)說：這方程有問題！——當(dāng)年的物理學(xué)家們也是這樣想的。他們于是動(dòng)手做各種實(shí)驗(yàn)，想方設(shè)法證明麥克斯韋方程組的荒謬性。可是，不管怎么精妙的實(shí)驗(yàn)裝置，如何仔細(xì)認(rèn)真地測量，測量者在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測到的光速，哇擦還真是不變的！
越多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來，不僅沒有推翻，反而是驗(yàn)證了麥克斯韋方程組的正確性。物理學(xué)家們不得不承認(rèn)，與參照系無關(guān)的運(yùn)動(dòng)是存在的，那就是光，也就是電磁波。
與參照系無關(guān)的運(yùn)動(dòng)，給經(jīng)典物理大廈的基石帶來的沖擊，讓物理學(xué)家十分頭疼。因?yàn)?，相對運(yùn)動(dòng)理論是物理學(xué)的基礎(chǔ)，其他一切運(yùn)動(dòng)理論都建立在此之上。物理學(xué)這樣宏大的理論體系，必須有堅(jiān)如磐石的基礎(chǔ)。當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生動(dòng)搖，看上去盡善盡美的體系就會(huì)轟然倒塌。由于上百年來，大到太陽系銀河系，小到塵?；覡a，經(jīng)典的相對運(yùn)動(dòng)理論從不出錯(cuò)。大家不相信相對運(yùn)動(dòng)理論有什么問題，只是絞盡腦汁如何用它來解釋光速不變。
經(jīng)典物理學(xué)家，還有我們普通的大多數(shù)人，都會(huì)把宇宙想成一個(gè)大大的“空箱子”。很多星系啊星云啊恒星啊行星啊黑洞啊，都散布在這個(gè)箱子里頭不同的位置。這千千萬萬個(gè)星球中，有些星球是相對箱子靜止的，有些星球則以各種速度往各種方向運(yùn)動(dòng)。我們腦子中這個(gè)“空箱子”，就是我們想象出來的宇宙空間。
這也就是所謂的宇宙“絕對空間”。為什么說是“絕對”呢？因?yàn)檫@個(gè)空間的存在并不依賴箱子里頭的東西。箱子里的那些星系啊黑洞啊恒星啊什么的，就算是一個(gè)都不存在，這個(gè)箱子也是存在的，它是一個(gè)“空的宇宙”。就像我們畫在紙上的坐標(biāo)，沒有那些點(diǎn)線面的存在，坐標(biāo)依然會(huì)存在。
那么，哪些物體是相對宇宙空間靜止的呢？如果找到這個(gè)“絕對靜止”的物體，我們就找到了絕對空間。那么，以這個(gè)靜止的物體為參考系，宇宙中所有的運(yùn)動(dòng)都將會(huì)得到確定，都有一個(gè)“絕對運(yùn)動(dòng)速度值”。
當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們提出了一種神奇的物質(zhì)——以太。他們想象以太是光傳播的媒介，充滿整個(gè)宇宙，以太具有不可思議的特性，例如完全透明、完全無質(zhì)量、完全剛性等等。最關(guān)鍵的是，以太相對于宇宙絕對空間是靜止的。
那么，如果有以太，地球在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)迎面吹來一陣“以太風(fēng)”。就像我們開車的時(shí)候，車子穿過靜止的空氣形成的迎面風(fēng)一樣。我們通過測量以太風(fēng)的速度，就可以知道地球穿過以太的速度，這就是地球在宇宙空間中的“絕對速度”了。于是很多科學(xué)家紛紛動(dòng)手，設(shè)計(jì)了許多精妙的實(shí)驗(yàn)裝置，通過測量光速的差異來尋找以太風(fēng)。但是遺憾的是，無論多么努力，他們都沒有能夠測出以太風(fēng)。以太理論似乎也陷入了僵局。
愛因斯坦就是在這種情形之下提出了相對性原理，那就是：任何慣性參考系都是相對而言的，宇宙的絕對參考系并沒有，也不需要有。
這個(gè)理論一開始讓很多經(jīng)典物理學(xué)家不能接受。因?yàn)闆]有絕對參考系，我們甚至不知道地球在宇宙的哪個(gè)位置，地球往哪里去，去得有多快！承認(rèn)對自身狀態(tài)無知的感覺是多么沮喪啊！但是，當(dāng)科學(xué)家們真正理解了愛因斯坦的思路以后，都立即接受并表示：這是一個(gè)劃時(shí)代的新思想！
愛因斯坦之所以得到推崇，其牛逼之處就是，他不再用經(jīng)典相對運(yùn)動(dòng)理論去解釋光速不變。他宣稱：各位，相對運(yùn)動(dòng)理論有缺陷，我來修補(bǔ)一下。他用來修補(bǔ)的，就是著名的洛倫茲變換。這個(gè)變換公式這里就不說了。就是在這個(gè)公式里，光速是一種極限，如何速度都無法超越光速。
光速與參考系無關(guān)，并且是絕對最大速度，這是愛因斯坦“不得不承認(rèn)”的一種假設(shè)。但是這個(gè)假設(shè)的理由十分充足，如果不承認(rèn)，就得承認(rèn)絕對空間的存在，經(jīng)典理論就無法修補(bǔ)。一百年多來，相對論這個(gè)假設(shè)，一直被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，科學(xué)家至今未發(fā)現(xiàn)相對論被證偽的事實(shí)。
經(jīng)過愛因斯坦的修補(bǔ)，物理學(xué)的大廈終于避免了轟塌。科學(xué)家們終于長出一口氣。從此，地球上漸漸有越來越多的人接受了這樣一種觀念（實(shí)際上也是一種事實(shí)）：第一，沒有絕對的宇宙空間，只有相對的位置和速度。第二，不管你是逆光運(yùn)動(dòng)，還是背光運(yùn)動(dòng)，還是與光成垂直交叉運(yùn)動(dòng)，測出來的光速都是一樣的。
愛因斯坦說“任何參考系中光速不變”，也可以這樣“通俗易懂”來說：光速會(huì)根據(jù)觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，從而讓觀察者覺得它的速度不變。對于“同一束光”，你快它就更快，你慢它就變慢——光的速度是“自動(dòng)適應(yīng)觀察者”的！這下你明（hu）白（tu）了沒有？
——很離譜是吧？所以盡管相對論提出已經(jīng)100年了，一直讓很多人無法理解。
無法理解相對論的人，大多是沒能拋棄經(jīng)典相對運(yùn)動(dòng)理論中絕對空間的概念?；蛘呤且徊糠钟昧讼鄬φ摰母拍?，一部分則套用經(jīng)典理論，從而“推導(dǎo)”出時(shí)空旅行平行宇宙等等神奇玩意兒。甚至還說時(shí)空穿越是相對論的成就，這就歪曲了相對論，謬之千里了。
假設(shè)你要從一輛正在行駛的拖拉機(jī)上以一個(gè)速度向前跳下來，那么你相對于地面的水平速度是多少？以正常思維來說，是拖拉機(jī)的速度加你的速度。
假設(shè)一架火箭正在飛離地球，這時(shí)候在飛船上向地面發(fā)射激光，那激光到達(dá)地面的速度是多少?以正常思維來說，還是c，但是回看第一個(gè)問題對比一下，發(fā)現(xiàn)了什么？這就是光速不變。
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