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光速不變是怎麼被推導出來的

生活更新时间:2024-11-20 13:44:51

日常生活經驗告訴我們，速度都是有參照物的，否則就沒有意義。在地球上，通常我們會默認以地面為參照物。比如我們經常說高速公路上汽車的限速是時速120公裡，這裡的時速120公裡就是默認地面為參照物。

那麼光呢？光的參照物是什麼呢？

光比較特殊，就是因為一個原理：光速不變。也就是說，光速相對于任何參照物都保持不變。簡單理解就是：光速是絕對的。光速不需要參照物，或者說光速相對于任何參照物的速度都保持不變。

不過，人類科學史上對光速的認知并非一帆風順。

19世紀70年代，麥克斯韋從他的電磁方程組推導出了光速（電磁波）的速度是一個常數，公式如下：

光速不變是怎麼被推導出來的（速度有了參照物才有意義）1

公式中可以看出，光速确實是一個常數，而且公式中并沒有任何參照系，也就是說，光速的大小與參照系無關，隻與真空的介電常數和磁導率有關。說白了，光速的絕對性是真空的固有屬性。

光速的這種絕對性完全颠覆了物理學家們長期以來的思維方式。牛頓經典力學統治着當時的物理學界，物理學家們也對牛頓力學深信不疑。

但如今詭異的光速橫空出世，物理學家們也開始以牛頓經典力學為标準替光速找參照物，于是“以太”的概念應用而生。

以太，被定義為絕對靜止的參照物，充滿了宇宙每個角落，光的參照物正是以太。

不過，以太畢竟是一個假想的概念，科學家們必須尋找到以太的存在。于是各種實驗開始上場，其中就包括著名的邁克爾遜莫雷實驗，這個實驗本來是尋找以太的，沒想到結果反而否定了以太的存在。

光速不變是怎麼被推導出來的（速度有了參照物才有意義）2

因為邁克爾遜莫雷實驗的結果表明，光速在任何慣性參照系裡的速度都保持不變。物理學家們當然不甘心，他們早已經奉牛頓經典力學為神明，如果不能找到光速的參照物，這個神明就會轟然倒塌。

于是，龐加萊洛倫茲等人開始“左右逢源”，試圖調和麥克斯韋方程組與牛頓經典力學之間的矛盾，本質上他們仍舊沒有擺脫牛頓的絕對時空觀，隻是在不斷改良。

而偉大的愛因斯坦憑借他那天才大腦和颠覆性的思維，用奧卡姆剃刀把以太直接“咔嚓”掉：既然以太是假想的概念，又帶來了各種矛盾和不協調因素，它就沒有存在的必要了。

于是，在光速不變原理和相對性原理兩大公設的前提下，狹義相對論橫空出世。

光速不變是怎麼被推導出來的（速度有了參照物才有意義）3

狹義相對論徹底抛棄了牛頓的絕地時空觀，提出了相對時空觀，認為時間和空間不是絕對的，而是具有彈性的，會随着物體的運動而發生改變。

光速不變是怎麼被推導出來的（速度有了參照物才有意義）4

在狹義相對論體系下，光速不僅僅是指光的速度，而是四維時空的固有屬性，内在秉性。除了光之外，信息，引力波等傳播速度也是光速，這都與四維時空息息相關！

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