Question

为什么光速恒定不变？

Answer 1

光速在真空中是恒定不变的，这是物理学中的基本原理，是由爱因斯坦的特殊相对论所阐述的。光速在真空中的恒定性有几个原因和理论基础：

1. 实验观察：19世纪末和20世纪初的实验观察表明，光速不受光源或观察者的运动状态的影响。例如，迈克尔逊-莫雷实验试图检测地球在以太中运动对光速的影响，但结果是负的，即没有检测到预期的效应。

2. 特殊相对论：爱因斯坦的特殊相对论是基于两个假设：物理定律在所有惯性参考系中是相同的，以及光速在真空中对于所有观察者都是恒定的，不论光源或观察者的相对运动如何。这些假设导致了时间膨胀和长度收缩等现象，这些现象已经通过实验得到验证。

3. 光的电磁本质：光是电磁波，是由变化的电场和磁场产生的。麦克斯韦的电磁理论表明，电磁波在真空中的速度是由真空的电容率和磁导率决定的，这两个量是物理常数。因此，光速是由这些基本物理常数决定的。

4. 物理学的一致性：如果光速不是恒定的，那么许多物理学定律和方程将不再成立。例如，能量和动量的关系将不再有效，这将导致物理学的基本原理出现矛盾。

值得注意的是，光速在真空中是恒定的，但当光通过物质介质（如水或玻璃）时，它的速度会减慢。这是因为光在物质中传播时会与物质的原子和分子相互作用，导致光的传播速度降低。然而，即使在这种情况下，光的相速度（即波前的速度）仍然等于真空中的光速。