日常生活经验告诉我们,速度都是有参照物的,否则就没有意义。在地球上,通常我们会默认以地面为参照物。比如我们经常说高速公路上汽车的限速是时速120公里,这里的时速120公里就是默认地面为参照物。

那么光呢?光的参照物是什么呢?

光比较特殊,就是因为一个原理:光速不变。也就是说,光速相对于任何参照物都保持不变。简单理解就是:光速是绝对的。光速不需要参照物,或者说光速相对于任何参照物的速度都保持不变。

不过,人类科学史上对光速的认知并非一帆风顺。

19世纪70年代,麦克斯韦从他的电磁方程组推导出了光速(电磁波)的速度是一个常数,公式如下:

光速不变是怎么被推导出来的(速度有了参照物才有意义)(1)

公式中可以看出,光速确实是一个常数,而且公式中并没有任何参照系,也就是说,光速的大小与参照系无关,只与真空的介电常数和磁导率有关。说白了,光速的绝对性是真空的固有属性。

光速的这种绝对性完全颠覆了物理学家们长期以来的思维方式。牛顿经典力学统治着当时的物理学界,物理学家们也对牛顿力学深信不疑。

但如今诡异的光速横空出世,物理学家们也开始以牛顿经典力学为标准替光速找参照物,于是“以太”的概念应用而生。

以太,被定义为绝对静止的参照物,充满了宇宙每个角落,光的参照物正是以太。

不过,以太毕竟是一个假想的概念,科学家们必须寻找到以太的存在。于是各种实验开始上场,其中就包括著名的迈克尔逊莫雷实验,这个实验本来是寻找以太的,没想到结果反而否定了以太的存在。

光速不变是怎么被推导出来的(速度有了参照物才有意义)(2)

因为迈克尔逊莫雷实验的结果表明,光速在任何惯性参照系里的速度都保持不变。物理学家们当然不甘心,他们早已经奉牛顿经典力学为神明,如果不能找到光速的参照物,这个神明就会轰然倒塌。

于是,庞加莱洛伦兹等人开始“左右逢源”,试图调和麦克斯韦方程组与牛顿经典力学之间的矛盾,本质上他们仍旧没有摆脱牛顿的绝对时空观,只是在不断改良。

而伟大的爱因斯坦凭借他那天才大脑和颠覆性的思维,用奥卡姆剃刀把以太直接“咔嚓”掉:既然以太是假想的概念,又带来了各种矛盾和不协调因素,它就没有存在的必要了。

于是,在光速不变原理和相对性原理两大公设的前提下,狭义相对论横空出世。

光速不变是怎么被推导出来的(速度有了参照物才有意义)(3)

狭义相对论彻底抛弃了牛顿的绝地时空观,提出了相对时空观,认为时间和空间不是绝对的,而是具有弹性的,会随着物体的运动而发生改变。

光速不变是怎么被推导出来的(速度有了参照物才有意义)(4)

在狭义相对论体系下,光速不仅仅是指光的速度,而是四维时空的固有属性,内在秉性。除了光之外,信息,引力波等传播速度也是光速,这都与四维时空息息相关!

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