日常生活经验告诉我们,任何速度都需要有参照物才有意义,而我们日常生活中提到的速度,基本上都是默认地球为参照物,当然我们也不会特意强调地面为参照物,不然显得太啰嗦。

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比如说,一辆汽车的时速是100公里,这个速度就是相对地面的速度,你不会刻意强调“汽车相对地面的时速是100公里”。

那么光速的参照物又是什么呢?我们都知道光在真空中的速度是每秒30万公里,这个速度是怎么计算出来的呢?相对什么参照物计算的呢?

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光速与其他速度一样,同样是需要参照物的,只不过与其他速度相比,光速有一个最大的不同:相对于所有的参照系光速都是不变的。也就是说光速是绝对不变的,不管你是任何运动状态,不管你在任何参照系下,看到的光速都恒定不变。

其实19世纪70年代,麦克斯韦利用他的麦克斯韦方程组已经推导出了电磁波的速度,也就是光的速度是一个不变的常数,公式中光速不需要任何参照物,只与真空的磁导率和介电常数有关。

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这与牛顿力学体系下的绝对时空观不相符,因为按照绝对时空观的诠释,任何速度都需要有参照物才有意义。但是从麦克斯韦方程组推导出的光速计算公式来看,光速是不需要参照物的。

一方面是统治了物理学界几百年的牛顿经典力学,另一方面是如此完美的麦克斯韦方程组方恒组,物理学界大佬谁都不想得罪,但大家都知道两者之间存在不协调的地方。

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怎么办?必须做出妥协,最终物理学界大佬还是选择相信牛顿的经典力学,这也很正常,如果选择麦克斯韦方程组,意味着统治了物理学界几百年的绝对时空观轰然倒塌,必须重新建立一个全新的物理学大厦,这是谁也不愿意看到的。

于是,物理学界开始为光速寻找参照物,在这种背景下,“以太”的概念应运而生。以太是一种假设的概念,它充满了整个宇宙,是光的传播介质,同时也是光速的参照物,更是绝对静止的参照物。

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但科学是严谨的,可以假设,但更需要假设之后的证据。于是物理学家开始做各种实验试图找到以太存在的证据,比如说著名的迈克尔逊莫雷实验。

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但不做实验不要紧,做过实验之后,物理学家们发现假设中的“以太”根本不存在。面对这样的结果,即使莫雷和迈克尔逊本人都不愿意承认,认为实验过程一定存在着某些瑕疵,因为如果“以太”真的不存在,意味着牛顿力学体系下的绝对时空观是错误的,这是也谁也不愿意相信的。

于是物理学界大佬开始左右逢源,用各种办法试图调和牛顿经典力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾,但无论如何调和,绝大多数物理学家比如说洛伦兹和庞加莱等人,都没有放弃绝对时空观,所以根本不会有根本性的变化,这种调和顶多算是改良而已。

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而且,“以太”的概念就像是物理学界“撒的第一个慌”,为了“圆这个慌”,就需要更多的“谎言”才行,而每一个“谎言”都像是定时炸弹,随时可能引爆让以太的概念彻底崩塌。

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最终,还是爱因斯坦站了出来,不再对“以太”的概念进行各种修修补补,而是秉承“如无必要勿增实体”的原则,用奥卡姆剃刀一下把以太“咔嚓”掉了,彻底抛弃牛顿的绝对时空观,提出了全新的相对时空观。

在相对时空观体系下,光速的绝对不变性上升到基本原理的层面,说白了,爱因斯坦把光速不变当做是基本的公理,而公理就不需要证明,也无法证明,只要符合我们的日常观测和实验结果就可以了。

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如今我们知道,狭义相对论是在相对时空观基础上建立起来的理论,而相对时空观的基础其实就是光速不变原理。

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正是因为光速的绝对不变,时间和空间才必须发生相应改变,来迎合光速绝对不变的“霸道”行为,时空的相对性才能体现出来。

也就是说,光速其实并不是指光的速度,光速是四维时空的固有属性,不仅仅是光的速度是光速,引力波的速度也是光速,信息的传播速度同样是光速。任何静质量为零的物体速度都是光速。

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能够看出,光速与四维时空有着深刻的联系,因为光速是四维时空的内在秉性。严格来讲,光在传播的过程中也是需要介质的,这个介质就是时空本身。除了四维时空之外,没有任何其他物质可以当做光的参照物。

反过来,光速也不能作为任何物体的参照物。所以,我们可以说“光相对于任何物体的速度都是光速”,但不能反过来说“任何物体相对于光的速度都是光速”,因为光速只与四维时空有关,与任何其他物体都没有关系。