對于光速和光速不變，網(wǎng)絡(luò)上會有很多科普文有詳細(xì)解釋，很多科普文甚至?xí)韵喈?dāng)專業(yè)的物理學(xué)知識加以詮釋，之前本人也曾多次科普過有關(guān)光速的知識。今天就換一種角度，不再涉及任何專業(yè)的物理學(xué)術(shù)語和復(fù)雜的公式，從通俗易懂的故事開始說起。

科學(xué)的發(fā)展過程與我們個人的學(xué)習(xí)過程其實是很相似的。比如說，牛頓發(fā)表了自然科學(xué)數(shù)學(xué)原理，之后經(jīng)過一百多年的研究，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很好很適用，與現(xiàn)實世界中的發(fā)現(xiàn)都能對得上，自然會信奉牛頓經(jīng)典力學(xué)體系。

而正是這種信任，才會對牛頓力學(xué)體系下的伽利略變換深信不疑，更重要的是，伽利略變換的確符合我們的日常生活經(jīng)驗，更符合我們的直覺。而且這個變換經(jīng)過一百多年的驗證，實驗結(jié)果確實沒有發(fā)現(xiàn)任何錯誤。

何為伽利略變換？通俗理解就是平時我們用到的速度疊加。你我分別以每秒5米的速度反向奔跑，我們之間的相對速度就是每秒10米，這很好理解，也很符合我們的日常認(rèn)知。

就在物理學(xué)界大佬們對牛頓力學(xué)體系深信不疑，甚至視為“神明”的時候，又一位物理學(xué)天才橫空出世，他就是麥克斯韋。

麥克斯韋提出了自己的一套理論體系，最終統(tǒng)一了電和磁，表明電和磁原來是一種東西。麥克斯韋的電磁理論中還藏著一個電磁波的傳播速度，一個常數(shù)c。

關(guān)鍵是，人們發(fā)現(xiàn)麥克斯韋的電磁理論太好用了，能解釋所有的電磁現(xiàn)象。于是，當(dāng)時的物理學(xué)界把麥克斯韋的電磁理論看做有一個“神明理論”，電磁理論也享受到了與牛頓經(jīng)典力學(xué)的同等待遇。

不過，有個名叫洛倫茲的物理學(xué)界大佬，忽然有一天從麥克斯韋的電磁學(xué)理論推導(dǎo)過程中發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的事實，當(dāng)變換坐標(biāo)系的時候，竟然不再遵循伽利略變換中的疊加體系，而是要比伽利略變換要復(fù)雜得多。

這個復(fù)雜的關(guān)系事實上就是洛倫茲變換，具體推導(dǎo)過程這里就不再詳述了。

不過，即便如此，洛倫茲本人也沒有多想，包括他在內(nèi)的絕大多數(shù)物理學(xué)家對牛頓力學(xué)體系都堅信不疑，即便是洛倫茲變換看起來與牛頓力學(xué)體系有沖突，也不意味著牛頓力學(xué)體系就有問題，很可能只是這個變換有其他解釋，其他說法，所以洛倫茲本人并沒有太在意。

不過，隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)洛倫茲變換與牛頓力學(xué)體系的沖突和矛盾越來越突出，最終發(fā)展到一個不可調(diào)和的結(jié)果：麥克斯韋電磁理論和牛頓力學(xué)體系，兩者之中必須有一個對的，而另一個是錯的！

直到這時候，物理學(xué)界大佬才開始撓頭：到底該怎么辦？麥克斯韋電磁理論和牛頓力學(xué)體系到底哪一個是錯的呢？

不管哪一個是錯的，他們都是不能接受的，畢竟這兩個理論在當(dāng)時的物理學(xué)界大佬眼里都是“神”一般的存在。

但是，矛盾確實就擺在那里，不可能視而不見吧。于是物理學(xué)界大佬們就開始“左右逢源”，試圖調(diào)和兩者之間的矛盾，而“以太”的概念就是這種背景下誕生的。

以太，是一種假設(shè)概念，被認(rèn)為是絕對靜止的參照系，也是光速的參照系。在牛頓力學(xué)體系下，任何速度都需要有參照系才有意義，但麥克斯韋電磁理論推導(dǎo)出來的光速是一個常數(shù)，根本沒有提到任何參照系。

當(dāng)時的物理學(xué)界普遍不能接受“光速不需要參照系”這個結(jié)論，因為如果這個結(jié)論成立的話， 意味著牛頓力學(xué)體現(xiàn)就是錯的。但也不能直接否定“光速不需要參照系”這個結(jié)論，畢竟這個結(jié)論是麥克斯韋電磁理論推導(dǎo)出來的。

怎么辦呢？物理學(xué)界大佬們只能做出妥協(xié)，假設(shè)一種叫做“以太”的東西存在，這種以太充滿了宇宙中每個角落，它正是光速的參照系。

但是光假設(shè)不行啊，需要通過實驗驗證才可以，這也正是所謂的“大膽假設(shè)，小心求證”。

于是，就有了著名的邁克爾遜莫雷實驗，實驗的目的就是尋找以太存在的證據(jù)。其實除了邁克爾遜和莫雷之外，還有很多物理學(xué)家都做過類似的實驗。

這里有必要強調(diào)一下，很多人認(rèn)為邁克爾遜莫雷實驗證明了光速不變，結(jié)果確實是那樣的，但那只是后來人們才意識到的。實驗的目的只是為了尋找以太存在的證據(jù)，并不是為了證明光不變，因為當(dāng)時的物理學(xué)界大佬根本就不相信光速是不變的。

甚至即便是實驗結(jié)果暗示了光速的確是不變的，不要說其他人了，連邁克爾遜和莫雷兩人都不相信實驗結(jié)果，他們寧愿相信實驗過程某個地方出現(xiàn)了差錯，也不相信光速真的不變。

為什么？剛才也說了，因為如果光速真的不變，就意味著牛頓力學(xué)體系是錯的，他們接受不了這樣的結(jié)果。

所以，當(dāng)邁克爾遜和莫雷兩人看到實驗結(jié)果之后，他們的第一反應(yīng)并不是因為發(fā)現(xiàn)了“光速不變”的證據(jù)而欣喜若狂，反而“憂心忡忡”，開始對實驗儀器和實驗過程進(jìn)行重新檢查，看看實驗儀器是否精確，實驗過程是否嚴(yán)謹(jǐn)。在他們內(nèi)心深處的潛意識里，根本不存在“光速不變”的概念，他們更希望找到以太存在的證據(jù)。

不過，無論邁克爾遜和莫雷如何對實驗進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果都指向了“光速不變”，表明以太是不存在的。而且其他物理學(xué)家做的類似實驗結(jié)果也都是如此。

但即便如此，也沒有哪位物理學(xué)界大佬站出來認(rèn)定“光速就是不變的”，他們做的只是用更多的假設(shè)來滿足以太存在的條件，而每一個假設(shè)其實就相當(dāng)于一個“謊言”，說白了，他們只是在用“謊言來掩蓋謊言”。但是每一個假設(shè)，每一個“謊言”就相當(dāng)于一個定時炸彈，其中任何一個引爆，都會導(dǎo)致“多米骨牌”效應(yīng)，所有的“假設(shè)和謊言”都會被戳穿，轟然倒塌。

后來物理學(xué)界大佬發(fā)現(xiàn)，更多的假設(shè)不但沒有讓以太的概念站得住腳，反而引發(fā)了更多的矛盾。物理學(xué)界一時間也不知道該怎么辦了，不知道到底哪里出了問題。

而就在這時候，另一位物理學(xué)天才站了出來，他就是愛因斯坦。愛因斯坦認(rèn)為，既然麥克斯韋方程組已經(jīng)表明了光速就是一個常數(shù)，這就是一個事實，但是以太的概念并不是事實，只是一個假設(shè)，況且這種假設(shè)也經(jīng)不起實驗的驗證，在這種情況下，為何一定要堅持以太的概念呢？為何光速就不能是一個不變的常數(shù)呢？

于是，秉承著“如無必要勿增實體”的理念，愛因斯坦拿著“奧卡姆剃刀”痛快地把以太的概念“咔嚓”掉了，提出了“光速不變原理”，在此基礎(chǔ)上，狹義相對論應(yīng)運而生。

奧卡姆剃刀原理雖然不是科學(xué)理論，但在很多時候確實管用。按照這個原理，以太的概念確實是累贅，不但沒有解決任何問題，反而帶來了更多的麻煩。

科學(xué)就是這樣，任何科學(xué)理論都是在假設(shè)的基礎(chǔ)上建立起來的，但是假設(shè)越少越好，因為剛才說了每一個假設(shè)就相當(dāng)于一顆定時炸彈，隨時都可能引爆。更關(guān)鍵的是，每個假設(shè)都需要經(jīng)得起實驗的驗證。

而愛因斯坦僅僅在兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上就提出了狹義相對論，這個兩個假設(shè)分別是：光速不變原理和狹義相對性原理。

愛因斯坦的狹義相對論確實很偉大。

第一，狹義相對論并沒有否定麥克斯韋電磁理論，某種意義上講，恰恰是麥克斯韋電磁理論給了愛因斯坦很多靈感。

第二，狹義相對論也沒有完全否定牛頓經(jīng)典力學(xué)，只是表明了牛頓經(jīng)典力學(xué)有些瑕疵，認(rèn)為牛頓經(jīng)典力學(xué)在低速的情況下非常好用，但一旦速度來到亞光速，就不太好用了。

到這里，很多人會提出更深刻的疑問：為什么光速是不變的呢？為什么要用洛倫茲變換而不是更簡單的速度疊加，也就是伽利略變換呢？

不知道。這就是大自然呈現(xiàn)出來的事實，我們不清楚為什么，但我們看到了，事實就是這樣，那么我就得相信，事情就是這么發(fā)生的，同時所有的物體真的都遵循這樣的規(guī)律。

就像“重的物體和輕的物體同時落地”一樣，事實就是這樣，你要問“為什么”，我也不清楚，不僅是我，我相信沒有任何人真的明白到底為什么，沒有人知道背后真正的底層邏輯。

還有比如說“蘋果落地”，蘋果為什么落地？你可能會說萬有引力，那為什么會有萬有引力呢？為什么兩個物體就必須相互吸引而不是相互分離呢？

你可能會說“時空彎曲”，那為什么會有“時空彎曲”呢？

發(fā)現(xiàn)沒有？不管你給出什么樣的回答，我總是能一直追問下去。而這種問題其實就像“人們?yōu)槭裁椿钪币粯?，不可能有最終的答案的。

科學(xué)就是這樣，不斷發(fā)現(xiàn)各種規(guī)律，逐漸接著世界的本質(zhì)，世界的真相，但用永遠(yuǎn)找不到最終的真相，不管這個真相是否存在，我們都找不到。正所謂“學(xué)海無涯”。

科學(xué)正是通過不斷發(fā)現(xiàn)客觀存在的事實，然后才能總結(jié)出世界運作的規(guī)律，而“光速不變”正是這樣的事實，正如“蘋果落地”也是這樣的事實一樣。我們不知道光速為什么不變，光速為什么不能與其他速度疊加，我們只是發(fā)現(xiàn)了那個事實罷了。

說白了，光速不變就是假設(shè)，也是公理，公理就不需要理由，不需要證明。人們通過各種方式觀測到光速真的是不變的，當(dāng)然會做出“光速不變”這個假設(shè)，更何況麥克斯韋電磁理論中，光速的確是一個常數(shù)。

完！