關於相對論的公設問題？

01-04

相對論的一個公設是光速在任何慣性系中保持不變。
光是一種波，那麼為什麼偏偏假設光速不變呢？如果是假設其他波波速不變，可以嗎？
光，到底有什麼特殊之處？

解答這個問題要從愛因斯坦是怎麼推出相對論說起

事件的開端在於Maxwell給出了Maxwell方程組，通過這個方程組他找到了電磁場的建立是在電磁波的基礎上的，從而找到了光是一種電磁波。而用這一觀點去研究其他時，有光速不變這個前提要求，會與牛頓的經典時空觀相斥。

這一問題引起了廣大科學界的反響，從而引出兩派人物，一派是有以太派，他們跟隨牛頓的腳步，認為空間中有以太為參考系，光是在以太中傳播的。另一派就是無以太派（感謝 @duknow的指正），認為沒有以太這種東西，光在任何系中都是恆定速度。

之後的邁克爾遜-莫雷干涉實驗證明了後者是對的。

而愛因斯坦就是從了後者的觀點，在自己的理論中上來就設立了這個原理作為相對論理論基礎。

首先，用現代我們對物理學的理解、從馬後炮的角度來解釋的話，光速不變不是狹義相對論的公設。狹義相對論不需要假設光速不變，因為它是一個時空框架式的理論，從邏輯上講原本就和光沒有直接關係。它是關於時空本身的，而時空是一切物理現象所發生的舞台，光只不過是其中一種現象罷了。

狹義相對論的公設有兩個，一個是狹義相對性原理，一個是時空變換是線性的。在這假定之下，只有兩種變換是自洽的，其一是伽利略變換，在這種時空中速度沒有上限；其二是洛倫茲變換，在這種時空中自然界存在一個最大速度，任何有信息的傳播速度不能超過它。至於我們所處的宇宙屬於哪一種，需要實驗來檢驗。顯然現在的實驗支持的是洛倫茲的，因此我們知道，這個宇宙中必定有一個極速，所有有質量的粒子速度都無法超過它，而所有無質量的粒子都以這個速度行進。

而光子是無質量的，因此它會以最大速度行進。因此，光速等於最大速度。如果中微子沒有質量（當然我們現在通過振蕩實驗知道它有極小的質量），那麼它也會持續地以最大速度行進。只不過人們最常接觸的無質量粒子（也是現在標準模型中僅有的兩種真正無質量的粒子，另外一種是膠子，但是由於色禁閉而無法直接觀測），所以會說「光速是自然界的最大速度」而已。其實，真正的說法是「自然界存在一個最大速度，而光速等於這個速度」。

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其次，從歷史的角度來解釋的話，在狹義相對論（1905）發表以前，麥克斯韋的電動力學（1873）就已經建立並且接受了長期的實驗考驗，人們相信這是對電磁現象的恰當描述。這一方程組預言了電磁波的出現，它在任何參考系中的速度都一樣。光速不變是麥克斯韋方程的一個推論。

這個性質顯然是與伽利略時空觀不相容的。一個非常著名的讓它強行與牛頓力學相容的做法是假定「以太」的存在，認為麥氏方程只在以太參考系中成立。但是在理論上以太是一種非常怪異又不自然的東西（既要稀薄輕盈到地球在其中運動不受阻礙，又要堅硬得讓電磁振動在其中達到30萬千米/秒的極高速，而且還與「絕對運動」這種口碑不佳的概念相關），在實驗上也從來沒有被發現過（邁克爾遜莫雷實驗）。

愛因斯坦提出，絕對運動是不存在的，麥克斯韋方程應該是對所有慣性系中都成立。因此結合我之前所說的第一點（只有兩種自洽的時空），我們應該能推論，麥克斯韋方程組如果是自洽的，那它必定符合洛倫茲時空觀。愛因斯坦正是通過對電動力學的思考，發現了洛倫茲時空的存在，並提出了狹義相對論。那篇劃時代的論文名字就叫《論動體的電動力學》，可以看出它與愛因斯坦對光的思考是息息相關的。

在論文中，愛因斯坦先指出，當時的時空觀與麥克斯韋的方程組看上去似乎有矛盾；接著他闡明，這一矛盾是不存在的，只要我們承認光速在每個慣性系中都一樣。論文有兩個主要部分，其一是運動學，也就是在光速不變的前提下對洛倫茲變換的推導（這也是廣大相對論愛好者所津津樂道的部分）；其二是動力學，也就是麥克斯韋方程組在洛倫茲變換下的變換性質。

我個人認為第二部分更重要，而且愛因斯坦在思考的時候很可能是先得到第二部分，再得到第一部分的：先通過對電動力學的深刻思考，剝離出它的時空觀，然後才思考這個時空觀它本身的性質。

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以上討論均不涉及引力和彎曲時空。總之，在歷史上，狹義相對論與光是緊密相聯的，但是呢這個關聯是通過電動力學的方程組產生的，並不像洛倫茲變換寫出來那麼簡單。我們現在已經知道，洛倫茲時空觀是僅有的兩類自洽時空觀之一，它本身與光沒有直接聯繫。而麥克斯韋方程組，則是符合洛倫茲時空觀的物理定律（雖然其麥克斯韋先生當時並不知道），因此愛因斯坦以此為契機發現了該時空觀的存在。

當時認為光速不變是作為原理存在於相對論時空觀中的，現在我們已經知道它並非必須。這在歷史上並不罕見，很多曾經的「原理」最後被證明是「推論」。像「不確定性原理」、「泡利不相容原理」，無不如此。

不是光很特殊，而是光速這個速度很特殊。

有個常見的誤解是認為狹義相對論的兩條公設：相對性原理，光速不變原理是重複的，因為光速不變原理可以由相對性原理和麥克斯韋方程組得到。這種說法的錯誤在於狹義相對論本身並不依賴電動力學，它描述的是一種時空觀。所以不管電磁波是否存在，狹義相對論都有一個不變的速度c，這個速度是時空本身的性質。

「為什麼偏偏假設光速不變？」

「因為在相對論建立之前，我們就通過實驗發現光速不變了。」

我努力不牽扯到公式和計算。

應該大家都聽說過愛因斯坦的兩大思想實驗

1.如果一個人追著光跑他會看到什麼

2.如果一個人在永遠自由下落的電梯中他會感覺到什麼

1的思辨直接誕生了狹義相對論。因為愛因斯坦發現，如果在這個思想實驗中運用伽利略變換，當一個人跑的和光線一樣快的時候觀察光線，那他會看到光是靜止的。換句話說他會看到電場和磁場在一個局部的區域里相互變換。這個現象是違背麥克斯韋方程的。因為從麥克斯韋方程來說，電磁場不可能在一個固定的區域里震蕩。

所以這裡就帶來了矛盾：

1.要麼麥克斯韋方程組錯了

2.要麼伽利略變換錯了

3.要麼物理定律就是這樣，不同參考系裡公式不一樣

首先物理學家是不會選3的，對稱性是物理學家的信仰；1和2都是很硬的結論，物理學家分成了兩派各挺一種。

結果么還是答主@張昌業說的挺2的贏了。

但是我要說的主旨就是，光速在參考系變化中不變不是一個公設，它可以看作是物理定律必須不隨參考系變化而變化這一根本大法在涵蓋了麥克斯韋方程組以後的必然推論。

題主還有個問題是光速為什麼這麼神奇。麥克斯韋方程組來看光速只取決於兩個常量，真空中的介電常數和磁通量。這兩個量並沒有揭示實質不過可以看出這兩個量都是自然而然的，只和我們存在的宇宙的特性有關。其他的速度並沒有如此奇特性質。

在狹義相對論中，光速不變原理這一原理是必需的嗎？ - 知乎專欄

這是我寫的一篇文章，這篇文章就是證明光速不變原理不是狹義相對論所必須的。只要我們假設①時空是均勻的，空間是各向同性的，這可以推出變換是線性的；②運動的相對性，即如果A物體相對於B物體速度為 $v$ ，則B物體相對於A物體的速度是 $-v$ 。我們就可以證明慣性系之間的變換是洛侖茲變換的形式，只是現在變換式中的速度常數不是真空中光速 $c$ ，而是一個速度常數 $V$ ，這個 $V$ 是在推導過程中自動出現的。也就是說，可以證明自然界必定存在一個速度上限 $V$ ，只是這個 $V$ 是多少是需要實驗來證明的。

第二，麥克斯韋方程並不是天生滿足狹義相對性原理的，只有當速度常數 $V=c$ （這相當於光速不變原理）時，麥克斯韋方程才滿足狹義相對性原理。如果實驗證明 $V$ 不等於 $c$ ，或者說 $V>c$ ，則麥克斯韋方程就不滿足狹義相對性原理了，此時它在洛侖茲變換下不再是協變的。如果我們堅持物理定律必須滿足狹義相對性原理，則必須修改麥克斯韋方程組，這個修改後的方程組就是Proca方程，也就是有光子靜止質量的麥克斯韋方程，形式如下

這裡是截的圖，公式不好打。這個方程組得到真空中的電磁波速度與頻率有關，庫侖定律不是平方反比律，等一系列新的結論，這些結論都和光子的靜止質量有關，從上面的方程可以看到，光子靜止質量為零，則Proca方程自動變為麥克斯韋方程。所以光子有沒有靜止質量，關係到麥克斯韋方程是不是嚴格成立。十來年之前，華中科技大學得到了最新的數據，光子靜止質量小於10的負55次千克。實驗是永遠沒有辦法得到「光子靜止質量是零」這一結論的，我想光子的靜止質量都已經如此之小了，即便有也不可能有什麼能觀測到的現象了，所以我覺得實驗可以大大方方的宣布：光子靜止質量沒有必要再測量下去了。除非是為了展示一下高度精確的測量手段。

沒什麼特殊之處，因為這樣做最簡潔。

真正的假設是局域性，即相互作用的傳播速度不是無限的，有一個最大速度，光速恰好為這個速度而已

思而不學則殆

因為光速不變已經被下面這個實驗所證明，所以只有一些變換才能解釋不同觀察者的觀察結果

理論上，麥克斯韋方程的解就說明了真空中電磁波波速不隨慣性參考系選擇而變化，假設真空中不存在影響電磁波波速的東西，至今這一點也沒有被打破。實驗上也有驗證。這是光速不變公設的來源。什麼？真空中有沒有東西？這是另一個問題。

非相對論方向，如有錯漏，懇請指出。手機碼字，具體後補。

不是物理專業，只是一個物理入門愛好者。應該是真空中光速不變。

僅僅說光速不變，這個說法是錯誤的。在不同的非線性介質中光速是不同的，並且都小於真空中光速。

其實相對論所謂的真空中光速不變應該這麼理解：

相對論的物理學中存在著這麼一個速度上限，在不同的參考系中觀測處於這一速度狀態的物質的時候，我們會觀測到一樣的速度數值。

而具有這種速度上限速度的物質恰好就是質量為0的光。

所以我們就講，真空中光速不變。

所以不能直接從字面去解釋所謂的光速不變原理。

就算換回來說，假如不是。你該以什麼為背景參照物來測定你所在觀測點的速度？

反正我是學到麥氏方程組之後，老師推導真空光速最後用電磁學兩個常量ε和μ表述，數學形式上不與任何其他變數相關，暗示了真空光速不變性，因為在任何參考系中顯然有ε，μ不變。

至於光在介質中傳播，那實際光速當然會變的，不然就沒有折射了。事實上實驗室中光源運動速度能夠超過光速，形成光艏波。

至於相對論剛剛提出的時候愛因斯坦的解釋，他不是有一個「觀察者以光速前進，難道會看到靜態的同向光波嗎」的思想實驗么，具體怎麼嚴格論證的我不清楚，在我想要深究之前物理課程已經快進到光學和量子了（笑

剛想到，邁克爾遜干涉儀的實驗零結果，不是就說明光速不變了么，，，

對這個公設更自然的表述來自朗道的《場論》。事實上信號傳遞速度存在上限+所有慣性系平權，已經足以推出SR的時空結構了，因為如果信號速度存在上限，那麼根據慣性系的平權，這個上限對於每個慣性系都必須是一樣的，不妨設為c，而實驗可以證明電磁波的傳播速度恰恰具有這個不變性，所以由此可以確定c的具體數值。