简单回答:我们也不知道为什么,大自然就是这样的

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说白了,光速不变,不随参照系发生改变,就是一个假设,假设,假设

重要的事情说三遍。

是爱因斯坦把“光速不变原理”当做一个基本假设,加上另外一个“狭义相对性原理”,在这两个假设的基础上,提出了著名的狭义相对论。

所以,不要用试图用狭义相对论去诠释为什么光速不变,因为光速不变是因,狭义相对论才是果,我们怎么可能用结果去反推原因呢?不要弄反了!

既然人们并不知道光速为什么不变,是不是就没有必要再去讨论题目中的问题了?

当然不是,如果问题到此就戛然而止,作为科普工作,也太失败了。虽然我们并不知道为什么光速不变,但起码需要了解爱因斯坦为什么会提出“光速不变”这个假设。

当然,爱因斯坦绝不是“拍脑门”随便想出来的“光速不变”,过程是相当漫长的,也充满了曲折,同时更需要有扎实的物理学知识作为背景,否则脑洞再大也很难提出“光速不变”这个如此大胆甚至“大逆不道”的假设。

为什么光速不变“大逆不道”呢?

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原因很简单,光速不变实在太违背人们的日常生活经验了。日常生活中我们知道,速度都是相对的,必须有参照系,否则速度就失去了意义。

而我们平时所讲的速度基本上都是默认地面为参照系,因此也没必要特意强调出来。比如说高速公路限速120公里,这个速度就是以地面为参照系。

你在现实中能找到一个没有参照系的速度吗?显然找不到。

爱因斯坦提出相对论之前的物理学界也是这么认为的,没有任何速度是绝对的,必须有参照系才有意义。

但是光速的横空出世,给了当时的物理学界当头一棒。我们知道,麦克斯韦统一了电和磁,而伟大的麦克斯韦方程组可以推导出光速的计算公式。

通过公式可以看出,光速只与真空的磁导率和介电常数有关,并没有提到任何参照系。言外之意,这个公式暗示着在参照系下,真空中的光速都保持绝对不变。

当时的物理学界意识到这一点的时候,无不惊呼:这怎么可能?完全不可能!

因为如果光速真的不需要参照系,保持绝对不变的话,意味着之前物理学家们辛辛苦苦几百年建立起来的物理学体系将会轰然倒塌,尤其是早就被世人奉为“神明”的牛顿经典力学,也会被推翻。

为什么?

因为牛顿经典力学是以绝对时空观为背景的,具体来讲就是以伽利略提出的相对运动为基础,任何运动都是相对的。如果光的运动是绝对的,那么很显然牛顿经典力学的基础就没有说服力了。

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怎么办呢?当时的物理学界大佬不可能眼睁睁地看着物理学大厦就这样被推翻,但也不可能因此得罪麦克斯韦方程组,毕竟这个方程组如此美妙,甚至堪称人类历史最优美最伟大的方程。

结果,物理学界大佬只能选择一个中庸的方法,尽量协调牛顿经典力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾。

以太的概念就是这种背景下出现的。物理学家们把“以太”定义为光速的参照系,也是绝对静止的参照系。

也就是说,物理学界仍旧认为时空是绝对的,而“以太”可以理解为相对绝对时空静止的物质。这种物质遍布整个宇宙空间,只是我们看不到也摸不着。

说白了,以太也是一个假设的概念。不过假设其实也没什么,科学的发展本来就是“大胆假设,小心求证”,接下来物理学家们只需要找到以太存在的证据,一切都万事大吉了。

物理学界大佬们当然也是这么做的,这才有了后来著名的“迈克尔逊莫雷实验”,实验的目的很单纯,就是为了寻找以太。

但结果大家都知道了,根本找不到以太存在的证据。既然以太不存在,不就是表明光速真的是不变了吗?

如今确实有很多人是这样想的,认为迈克尔逊莫雷实验证明了光速不变,其实不然。

一方面,迈克尔逊和莫雷两人打死也不敢接受光速不变,他们宁愿相信实验过程出了差错或者实验仪器不够精密,才导致了找不到以太存在的证据。这是可以理解的,我们不能用现在的眼光去衡量当时的物理学时代。事实上不仅是迈克尔逊和莫雷,几乎所有的物理学大佬都不相信以太不存在,因为他们知道,如果以太真的不存在意味着什么。说白了,当时几乎所有的物理学界大佬本能地排斥任何有可能推翻物理学大厦的思想!

另一方面,找不到以太存在的证据,也真的不能说明光速真的不变,因为以太的概念本来就是假设的,即便以太不存在,还可能存在其他东西来诠释光速的特殊性。总之就是,迈克尔逊莫雷实验只能证明以太不存在,但并没有证明光速不变。如果真的证明了,根本就没有爱因斯坦什么事了。

而如今很多人认为的“迈克尔逊莫雷实验证明了光速不变”实际上是以现代的物理学为标准,是以“上帝视角”去衡量当时的物理学时代,这显然是不妥的。

迈克尔逊莫雷实验之后,很多物理学大佬也做了类似的实验,结果都表明以太真的不存在。按道理讲,事情到这里应该很简单了:既然以太不存在,干脆就接受光速不变好了。

但事情远没有想象得那么简单,我们低估了统治物理学界几百年的牛顿经典力学在当时物理学界的地位。即便当时的物理学界大佬知道了以太不存在,但仍旧没有放弃寻找其他方式来协调牛顿经典力学和麦克斯韦方程组之间的矛盾,但就是不愿意接受“光速不变”。

洛伦兹提出了著名的洛伦兹变换,认为运动的物体尺寸会缩短,用这种现象试图诠释光速的特殊性,而洛伦兹的思想仍旧没有摆脱绝对时空观的束缚。

终于,物理学界大佬爱因斯坦登场了。爱因斯坦对麦克斯非常崇拜,尤其是钟情于优雅的麦克斯韦方程组,从麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中得到了极大的启发,尤其是在其他物理学大佬为寻找以太存在的证据,或者为调和牛顿经典力学和麦克斯韦方程组之间矛盾忙得不可开交的时候,爱因斯坦果断地用“奥卡姆剃刀”直接把“以太”切除了

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爱因斯坦认为:既然所有的实验都表明以太真的不存在,干嘛还要如此执着地寻找呢?直接接受“光速不变”不好吗?这样的话,一切都变得简单明了!

爱因斯坦把“光速不变”当做一个基本假设,再加上“狭义相对论原理”,在两个假设的基础上,狭义相对论问世了。

但是等等,刚刚不是说“如果光速不变,就意味着牛顿经典力学就轰然倒塌了吗?”

实际上,说“倒塌”就严重了。我们需要明白科学的本质,就是可证伪性。科学的这种特性就意味着任何科学理论都有局限性,都存在随时“被证伪”的可能性。而科学的发展正是不断突破人类认知局限性的过程。

牛顿固然伟大,但他也有认知的局限性,这是时代的局限性,任何人都无法突破。刚才说了,牛顿经典力学是建立在绝对时空观基础上的。而爱因斯坦提出了新的时空观,也就是相对时空观。

也就是说,我们所在的四维时空并不是绝对的,时间和空间是相对的,有弹性的。只不过时空的这种弹性只有在速度非常快,接近光速时才会明显体现出来。而我们日常生活中经历的速度与光速相比实在太小了,因此时空的相对性完全体现不出来,用牛顿的绝对时空观仍旧能很好描述我们的日常运动,这也是为什么如今统治我们日常生活的仍旧是牛顿经典力学,而不是相对论。

说白了,牛顿经典力学只是相对论在低速低引力状态下的近似值,但即便是近似值,对于我们来讲也足够精确了。更何况牛顿经典力学足够简单,而相对论下的引力场方程显得太复杂了!

所以,牛顿经典力学错了吗?严格来讲确实错了,但谁会这样说呢?刚才也反复强调了,科学理论的发展就是不断突破各种局限性的过程,牛顿经典力学只是适用范围有限罢了,并不能说“牛顿经典力学”就是错的。

就好比爱因斯坦的相对论在面对黑洞时,同样会失效,又有谁会因此说“相对论错了”呢?同样的道理,即便将来人类发现了更高级的物理定律能够诠释黑洞,也不能说相对论就错了,只是适用范围有限罢了。

这就是光速不变的前世今生。

总结

还是那句话,光速为什么不变?没有理由,起码目前我们找不到理由,大自然就是这样的。这也是为什么我经常会讲“光速不变不仅仅是假设,其实也是公理”,而公理就不需要理由,只需要你相信或者不相信。

公理通常会有两种,第一种是符合我们日常生活经验的,比如说“两点之间线段最短”。还有一种并不符合我们的日常生活经验,比如说“光速不变”。

不符合我们的日常生活经验,并不代表公理就是错的,原因很简单:我们一直被束缚在地球这个狭小的范围内,日常生活经验肯定是有很大局限性的。如果我们的日常生活经验与科学实验相悖,当然要以实验结果为准,而光速不变却是经得起实验的验证。

完!