為什麼光對所有參照物的光速都是恆定的？

01-05

一句話，自然界就是這樣的。但是肯定很多人不能理解，這主要是因為伽利略變換/牛頓時空觀先入為主。所以了更好的理解本文，要首先拋棄以往的牛頓力學的經驗，包括 $vec{v}^{$ 。下面我將從各個角度來闡述一下光速恆定的事實以及為什麼我們選擇相信光速不變。

1、Maxwell方程組

$abla imes H=J+frac{partial D}{partial t}$

$abla imes E=-frac{partial B}{partial t}$

$ablacdot B=0$

$ablacdot D= ho$

其中：

$D=epsilon E$ $B=mu H$ $J=sigma E$

Maxwell方程組是對所有電磁現象的總結和描述，光也是電磁波的一種。這個方程組有一個解，對應電磁波的傳播速度為：

$v=frac{1}{sqrt{mu epsilon}}approx3 imes 10^{8}m/s$

我們發現一件事，就是 $mu$ 和 $epsilon$ 是常數，並沒有隨著參考系而變化。那麼這個波速 $v$ 是相對什麼參考系的呢？根據電磁波與機械波在表達式上的相似性，最開始人們覺得宇宙中存在某種特殊的參考系，使得電磁波相對其波速為 $v$ ，同時存在著某種介質，也就是以太。

2、邁克爾遜－莫雷實驗

為了觀測到電磁波波速隨著參考系的變化而變化，邁克爾遜和莫雷設計了邁克爾遜－莫雷實驗，他們認為，地球一年四季繞太陽公轉，那麼假設存在一個絕對參考系的話，在不同的季節測得地球上的光速肯定是不同的。具體試驗細節就不講了。實驗結果大大出乎當時人們的意料，無論怎麼測量，測得的光速都是相同的。這迫使當時的科學家對這個現象進行深入的思考。

3、時空觀和狹義相對論

對這個出人意料的結果該怎麼理解呢？愛因斯旦進行了深入的思考。Maxwell方程組是對大量電磁現象的總結，而且與實驗符合的很好，所以暫且認定其是正確的。再來看一下經典牛頓力學，其中的時空觀是絕對時空觀，或者說是伽利略變換：

$x^{$ $t^{$

但是Maxwell方程組在這個變換下是變化的。這個就出現問題了。也就說Maxwell方程組和伽利略變換是矛盾的，二者只能選擇其一。最終，愛因斯坦選擇了留下前者，拋棄後者。也就是後來選擇的洛倫茲變換：

$x^{,}=frac{x-vt}{sqrt{1-frac{v^{2}}{c^{2}}}}$

$y^{,}=y$

$z^{,}=z$

$t^{,}=frac{t-frac{v}{c^{2}}x}{sqrt{1-frac{v^{2}}{c^{2}}}}$

而在洛倫茲變換下，Maxwell是不變的，這就很自洽了。

或者從另一個角度，我們就假設光速是不變的，同時假設所有的物理規律在不同的慣性系中都有相同的形式（這是一個非常樸素的假設），這兩個也就是狹義相對論的基本假設。根據這兩個假設最終也能推導出來洛倫茲變換。或者說這兩個假設和洛倫茲變換是等價的。

4、實驗驗證

實際上這一百年來已經有無數的實驗證實了狹義相對論是對的。

光速測定實驗，這個是直接的證據。結果就是如此。
根據狹義相對論，其中有一個結論就是時間膨脹效應： $Delta t=frac{Delta t_{0}}{sqrt{1-frac{v^{2}}{c^{2}}}}$ 。我們發現靜止的 $pi$ 介子壽命只有1/25000000000（二百五十億分之一）秒，但是加速到接近光速時，壽命明顯延長了，實驗上測得了30多倍。具體的實驗數據和理論符合。

5、More

實際上光速不變的表面現象下面蘊含了很多的東西，實際上大家所知道的所謂的狹義相對論其實是很淺顯的一部分，更重要的是深層的時空觀，也就是我們把時間和空間 $(t,vec{x})$ 作為閔氏空間的四個基以及我們認為因果律是宇宙應該滿足的，當然這也是假設，但是根據這兩個假設能直接得出這個宇宙的信息傳播速度是有最大速度的，而沒有質量的粒子可以以這個速度運動，在不同的參考系下的速度變換滿足洛倫茲變換。而恰好生活中光又是一個沒有質量的粒子，在一系列的歷史事件中，我們首先認識到了光，但是這其中既有偶然又有必然。

我們把這種時空光應用於更高級的理論中，比如說與量子力學相結合，得出的量子場論，已經是目前粒子物理和高能物理的基礎知識了，而對量子場論正確性的驗證每天都在世界各地的加速器和對撞機中驗證著。

再多說一句，我們沒有選擇該用什麼理論描述這個世界的能力，因為世界不會因為我們的想法而改變，所以不是我們隨意的做了什麼假設或者選擇了目前的理論，而是自然世界迫使我們這麼選擇，因為只有這麼做理論才能很好的描述世界。

所以，總結來說，為什麼光對所有參照物的速度都恆定？因為我們的世界就是這樣的。

相對論中「光速是自然界物質運動的極限速度」僅僅是四維時空的性質，但相對論並不考慮由於暗能量的推動導致的宇宙自身的膨脹。一個明顯的事實是，宇宙的年齡約為 138 億年，而可觀測宇宙半徑卻約 460 億光年。顯然，這與「光速是物質運動的極限速度」相矛盾。

事實上，由哈勃定律，我們可以計算出距離觀察者 460 億光年的星系正以

v （460 × 10^8 ly）=H · r

=6.78 × 10^4 m/（s·Mpc）× 460 × 10^8 ly

=6.78 × 10^4 m/（s·Mpc）× （460 × 10^8）/3.26 pc

=6.78 × 10^4 m/（s·Mpc）× （460 × 10^2）/3.26 Mpc

=6.78 × 10^4 m/（s·Mpc）×（46/3.26）×10^3Mpc

≈9.57 × 10^8 m/s

的速度遠離，遠超光速！！

即使是距離觀察者 138 億光年的星系，其相互遠離速度也達到了

v （138 × 10^8 ly）=H · r

=6.78 × 10^4 m/（s·Mpc）× 138 × 10^8 ly

≈2.9 × 10^8 m/s ，

這與光速已經十分接近了~

實際上不是光相對所有慣性系都是光速，而是靜止質量為零的粒子，相對於所有慣性系都是不變的速度，這個速度恰好是光速。

就像引力的本質是時空彎曲，零靜止質量粒子以光速運動，其實也是時空的特性。在沒有引力的情況下，光速不變原理才成立，在廣義相對論的情況下，彎曲時空中，光速並非處處相同的。但是，無論是狹義相對論的平直時空還是廣義相對論的彎曲時空，光(或者零靜止質量粒子)都是沿著類光世界線運動，而零靜止質量粒子一般不帶電荷，所以其實就是沿著類光測地線運動。

所以，光速不變原理，如果重新表述為「在任意參考系中，光沿著類光測地線運動」，無論是否有引力場(即彎曲時空)，都是成立的。

於是，可以看到，光速不變，其實是平直時空的特性。

(更正和補充：靜態引力場中，光速也是均勻和各項同性的，也是恆為c，和平直時空時一樣。)

題主能不能理解對稱性？

能夠理解，這個問題就是一個極簡單的問題。光速不變就是一個速度對稱性。光的速度，具有一種對稱性。

不能理解對稱性。那麼你死活都理解不了光速不變。

能理解對稱性，把光速不變就看成是一種速度的對稱性，就很容易理解。

這個是一個人的悟性的區別。

因為光速是這個宇宙的運算速度。

其實是這樣的：

科學界一開始以為光速也應該對不同，但實際檢測結果不是，真空光速對任意參考系始終恆定。

於是就猜測「對於任意參考系，光在真空中的速度始終恆定」，並以此為基礎發展出了相對論。由於較經典力學系統能更好地解釋自然現象，因此現在認為光速是恆定的。

至於有沒有例外，現在還沒發現，以後可能有。

也就是說，這相當於數學中的「公理」，是假設它為對且不需要證明的，萬一發現不全面或不正確了才會改。

簡單的話可以這麼理解：光是電磁波，變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場又產生變化的電場，就像點名報數，聽到1就喊2，那麼光速就是聽到-理解-報數的速度，這個速度是不變的。

兩個相向旋轉速度為V的球，上面各有一個燈光開關，那麼燈開後，相對於做為觀察者的你來說，光到你眼睛的理論速度應該是v+光速…但這是不可能…所以之前科學家懷疑光傳播依靠以太。看來光速就是固定的，不隨人的觀測方式變化

證明方面來講，現在的高票答案子乾，說的很對，一個是麥克斯韋方程解出來的，一個就是那個本來是為了反對相對論的實驗得出的。

還有一個，就是如果你默認了相對論是對了，你可以在數學上很好的證明它的前提之一「光速不變」是正確的，雖然這單單從相對論本身看並不顯然。

最後說一句，這個是相對論的基本假設……

發個我寫的關於狹義相對論的科普

劃破烏雲的利劍——狹義相對論（上）

一種證明是麥克斯韋方程組解出來光速不變。

另一種證明是邁克爾遜——莫雷實驗證明出來的。

還有就不知道了……

其實我也不知道上述是不是證明……

在我看來，承認光速沒有參照物就是等同於承認宇宙是靜止的一樣（也許從某種意義上講是，只是我們人類無法以那種角度去認知）。光速當然是有參照物的，只不過這種參照物和我們人類普通認知的「物」的概念不同。更多的不能說明，我就直接說我的看法：光速是參照於「宇宙這個集合」的，即，以太就是宇宙（全集）。

人類身處宇宙（全集）之中，當然沒法測量它的「速度」，甚至我們沒法定義它有沒有速度，因為只有全能的上帝（如果存在）的視角才能認知它。光速並不僅僅是一種我們通常理解的運動——當然它也是一種運動——它還有這作為宇宙中信息傳遞的唯一，這一面。從這個角度講，光速只有一個速度，也只能有一個速度——即，宇宙的變化，信息的傳遞以且僅以唯一的速度進行，從這個角度講，宇宙之中只有一個速度。比如你看到一片櫻花一秒速5cm在下落，但是當你從另一個角度去觀察，把所有能分解的全部分解，能細化的細化，最終所有宏觀的微觀的一切都歸結為一組信息，這組信息只能以光速進行變化。

讓我以初中力學的知識來解釋。

我們都知道：F = ma，即a = F / m

光子的質量m為0，代入上述的公式，發現無法得到a。所以無論對光子施加多少力，都不能給光子提供加速度，那麼光速C只能是恆定的。

以上純屬胡扯（滑稽）

我不是物理專業的，但是了解一些基本的理念，觀點僅供參考。（錯誤之處歡迎指正）

光速不變只是一個假設，愛因斯坦在思考物體、光源相對運動時提出的假設；

愛因斯坦基於這個假設結合已知物理定律（還有另一個假設：狹義相對性假設）以及嚴密的數學分析、推理，得出推論（狹義相對論）；

物理實驗（包括已經做過的但不能用當時的理論解釋的物理實驗：邁克爾遜-莫雷實驗）結果能在狹義相對論理論框架下予以解釋，並且，迄今為止所有物理實驗都能在狹義相對論理論框架下予以解釋（廣義相對論的故事看得很少^_^，歡迎補充）。

所以，光速不變的假設是符合事實的。

這其實就是愛因斯坦總結的「假定法」研究方法：

由經驗、實驗起始，頭腦經過「直覺飛躍」產生「絕對假設」，由假設導出特定推論，針對推論設計實驗，用實驗結果證明絕對假設的「不錯誤」，如果所有實驗都能符合推論，我們就認可這個「絕對假設」的正確性。

事實上，這一研究方法的合理性、結論是被絕大多數物理學家認可的。

如果還感覺不靠譜，就請想一下（不要浪費太多時間），還有其他更靠譜的方法嗎？

無他。

前面的回答可能有問題，這裡修改一下！這個問題得從兩個方面去理解，一是光跟光源的運動狀態無關，也就是我的專欄裡面寫的光子不具備拋射性，不管光源如何運動，光子向前向後的速度都是恆定的，不具備與光源的速度和運動方向的疊加性，也就是說運動的光源發出的光子與靜止的光源發出的光子速度是一樣的；二是光在一種介質中的傳播速度是恆定的，不管你處於動系還是靜系，光的本身速度恆定，但此時在時間上會出現C+V或C-V的情況，也許我回答的不好，但你這個問題的本質應該是指第一個原因，而不是第二個，因為第二個原因顯然是有速度疊加！

雖然我看的不太明白，但我個人認為光對所有參照物的速度是會有變化的。人類真的有測量準確過嗎，或者說有那種技術嗎？所以我挺否定相對論的。