确实,关于速度的讨论永远离不开其相对的参照体系,连光速也不破例。但是,光速的特别之处在于其固定不变的本性——在真空中,光的速度对于任何观察者而言都是一个恒定的值,约为每秒299,792,458米。
以此来看,一切惯性参考系都成了光速的天然对比标准。然而,换一个角度看,这个说法就不一定成立了。以下从经典物理学与现代物理学两大块来详述这一问题。
在19世纪70年代,英国的物理巨匠麦克斯韦通过其创立的方程组推断出电磁波的传播速度为一常量。
接着,基于当时对光的认知,他大胆推测光本身即是一种电磁波。不过,随着人们发现电磁相互作用随观察者的改变而变化,电磁作用并不满足经典相对性原理,似乎的确与某种绝对参考系有所牵连。麦克斯韦自己也相信存在一个绝对参考系,他认为伽利略相对性原理(在不同惯性系中,电磁波传播速度C为常数,这与经典速度合成定理相悖)的不适用正暗示了时空的绝对性。对于光(电磁波)而言,存在着一个特别的(绝对静止的)参考系,比如说弥漫于整个宇宙空间的“以太”,光即是“以太”介质中的波动。正是在这一特殊参考系中,麦克斯韦方程才展现出标准形式,光速朝各个方向等值C传播。
麦克斯韦方程的完美,电磁理论的精确,激励人们进行了一系列实验验证。例如1881年,美国物理学家迈克耳逊与莫雷联手进行了著名的“以太漂移实验”,也即干涉实验。原意是为了证实绝对静止参照系“以太”的存在,实验结果却出乎意料地显示在任意惯性系中,光速皆保持不变。对此,洛伦兹和庞加莱等人试图在现有理论框架内给出调和解释,他们的做法本质上并没有抛弃绝对时空观,只能算是对现有理论的小修小补。
直至1905年,爱因斯坦以他过人的智慧,结合已有资料,得出了与众不同的结论。
他不经意间构筑了全新的力学理论,颠覆了牛顿力学的基本假设,摒弃了绝对时空观,代之以相对时空观。他把光速不变提升为一个基本原理,并认为相对性原理应具备更广泛的适用性,不仅限于力学领域,还应包含电磁学。于是,他将伽利略相对性原理进行了推广,形成了狭义相对性原理,并与光速不变原理相结合,奠定了狭义相对论的基础。
正如麦克斯韦等人所信奉的,光速不变原理和相对性原理在表面上似乎相互矛盾,这主要是因为伽利略相对性原理是一种不完善的相对性概念,始终未摆脱绝对时空观的束缚。它本质上仅是一种空间相对性原理,并未触及时间的相对性,因而不适用于电磁作用。时空的相对性与物体运动速度密切相关,在低速条件下,时间的相对性并不显著,因此伽利略相对性原理仍能成立;但当涉及到光速时,则必须考量时间的相对性。
只有纳入时间的相对性,相对性原理才能完全适用于电磁作用,光速不变原理正是时空相对性的直接体现,从而否定了绝对时空观及绝对静止参考系的存在。反之,正是光速不变原理的确立,才使得时空相对性的概念得以凸显。由此可见,光速与时空存在深刻的内在联系,光速成为时空的固有属性。相对于不同的参考系,时空会表现出差异,但光速本身对任何参考系都是等同的。这不仅揭示了光的传播无需依赖特殊介质,还意味着光速的大小不依赖于任何特殊参照物。
光仅与时空密切相关,光速在不同参考系中的恒定不变,如同同一段时空在不同参考系下所展现的多样性。正由于时空的相对差异,光速不变才成为可能。因此,如果非要定义光的传播“介质”,那便是相对的时空本身。如果非要指明光速的“参照物”,答案同样是相对的时空。最终,鉴于光速问题的复杂度,除了时空之外,没有任何事物能成为光速的参照系,反之亦然。那些将人相对于光速等同于光速本身的观点是错误的。