光速不变其实并非一个简单的假设

作为爱因斯坦相对论的基本前提的“光速在真空中不随参照系改变”一直被教科书作为一种假设加以介绍。但实际上，如果我们仔细回顾爱因斯坦提出光速不变的背景会发现那并非是一个简单的假设，而是在接受了一系列其它的理论的前提下的所得出的必然结论。

首先，1865年麦克斯韦发表了他推导出的电磁波的传播速度为1/sqrt(εµ)。其中ε和µ分别为介质的介电常数与磁导率，且发现当ε和µ为当时所知的真空中的ε₀和µ₀时由他的公式算出的速度与当时测得的光速非常一致。很显然，麦克斯韦推导出的光速公式不包含任何参照系的信息。

尽管如此，爱因斯坦仍然需要另一个基本原理来确定真空中的光速不变，那就是狭义相对论的惯性系等价原理，即物理定律在所有的惯性系中都同样成立，而这一原理其实是对于伽利略关于机械运动在惯性系中的等价性原理的简单推广。

但是，以上两点还不足以提出光速在真空中不随参照系改变的结论。我们知道浅水波的速度为sqrt(gh)同样不含有参照系的信息，而且也满足惯性系等价原理，但却不是相对于任何惯性系都不变的。这是因为水是一种介质，因此当计算波的相对速度时，还必须将水这一介质相对于参照系的速度考虑进去。这里介质的因素对于相对速度的影响就凸显出了Michelson–Morley实验对于提出光速不随参照系自身的运动而改变这一结论的重要意义了。1887年Michelson–Morley依据他们通过长期观测的结果宣布很久以来被认为是空间的基本介质的以太是不存在的，因此没有实物的空间就是真空。既然 真空中没有任何诸如以太那样的介质，麦克斯韦推出的光速公式本身又与参照系无关，且物理定律不会因惯性系（广义相对论又将此条件推广至所有参照系）的选择不同而变化，那么光速就一定不会随参照系而变化。

所以，所谓的光速在真空中不随参照系变化并非简单的假设！在爱因斯坦那个年代，只要你承认麦克斯韦推导出的电磁波速度公式是正确的，并承认光是一种电磁波，也承认物理定律不会因为参照系的选择而改变，而且接受Michelson–Morley有关以太不存在的结论，那么你必然会得出真空中的光速不随参照系的选择而变化的结论！从这个意义上说，当初爱因斯坦给出的真空中的光速不随参照系变化的前提更像是一个综合性的结论而不是一个简单的假设！

由此我们也可以看出为什么当科学家们声称真空并非什么都没有而是存在着能量的时候，很快就有人出来挑战爱因斯坦的相对论。这是因为真空中并非什么都没有的说法很容易引起人们对于Michelson-Morley的实验结论的挑战，而一旦Michelson-Morley的实验结论受到挑战，作为爱因斯坦的相对论的基本前提的光速在真空中不随参照系的选择而变化的说法就会受到挑战。而挑战一旦发生，就很自然地出现了要全面检验当初被认为是证明相对论正确的实验分析的论调。

除此之外，今天“真空中的光速不变”又在很大程度上确实成为了一种假设。这是因为，今天全世界的人们被告知的光速（也就是你上网能查到的光速）不是测出来的，而是定义出来的（感兴趣的读者可去观看这个视频：https://youtu.be/V7PU1WN9jWY），这种定义光速大小的做法可能也是让很多不愿看到科学基础中有太多人为定义的人感到不舒服的一个原因。

其实，如我之前在“狭义相对论需要修正吗？---一个可以被研究生用作论文的题目”一文中指出的，狭义相对论确实存在着一个缺陷，不过不是光速不变的前提（除非有人最后证明光速确实随参照系而变），而是由于它缺乏对于光的波动性的反映而引出的所谓光子不会经历时间的结论。因此，我建议不要直接使用麦克斯韦的光速结果，而是借助类似思路，将光的波动特性反映在狭义相对论中以纠正所谓的光子不会经历时间的结论。这是因为没有时间哪里来波动？所以光的波动性决定了光子一定会经历时间，相应地狭义相对论的光子不经历时间的结论就一定是不对的。。。。。。

 

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[慕容青草]

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