Question

如何理解光速不变原理？

Answer 1

本题，作为相对论的一部分，究其本质，即光的内在动机与机制，属于重大理论问题，目前尚无现存答案，我看值得折磨一下。

其一，光是宇宙中有形物质与无形物质之间的中间物质。这是光的动机或意义。光，似乎既有形亦无形。其有形，是因为肉眼可见或仪器可辨；其无形，是因为光不是实体而无静止质量。

其二，光速是代表一切非实体或暗物质运动的最高速度。这是光的最基本属性。众所周知，一切电磁辐射，统称光，诸如各种无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、伦琴线、伽玛线、贝塔线等。高频光子与低频光子的速度相同，是因为，光子运动轨迹是一个螺旋周期。高频率，则高螺线速度，但螺距进程反而缩短，折合起来的进动速度(即常说的光速)保持不变。

其三，空间充满的无形物质皆以光速运动。实验表明，比普通光子更无形的，诸如中微子、轴子、宇宙背景辐射 (超低温厘米波2.75K, 7.35cm)、引力子、暗物质量子，都是无形物质的单元、单子、量子或“异名同物”，都以光速做螺线运动。

光速不变实际上揭示出最深层的物理意义：即光速运动才是真正的“静止”。因为：当宇宙中的一切都化为无质量的光子后，整个宇宙的真实就是一团光。反而，相对于光速较低的粒子的真实速度，都应以与光速之差值表示。也就是：有绝对的光速（真静止），没绝对的静止（负光速）

放在宇宙角度，正像生命是蛋白体的存在方式一样，光速也是其存在方式，也许还有暗物质、反物质，也是一种存在方式，这就是特质，否则，无法认识它。

这个必须从哲学层面来讲，人的理性思维方法有两种，分别是【归纳法】和【演绎法】。

【归纳法】是基于经验的， 【演绎法】是基于【逻辑规则】的， 而【光速不变】是在经验的基础上，归纳出的一个假说(hypothesis)，或者说公设(postulates)，在自然科学中也叫科学原理（Scientific Principles）。

说简单一点，我在美国看到了一只乌鸦是黑色的，在中国也看到一只乌鸦是黑色的，在日本也看到一只黑色乌鸦，于是我做出一个假设:天下乌鸦一般黑，也就是从特称判断到全称判断，直到有一天发现一只白乌鸦，这个假设就被证伪（falsification）。 这就是我们经常说的【白乌鸦事件】以及【黑天鹅事件】。在哲学家卡尔波普的科学哲学理论中，将可证伪性（falsifiability），视为科学的充要条件（necessary and sufficient condition）。

【光速不变】也是这样的，我们经过很多观测，做过非常精密的实验，发现光速是一个不变常数，于是，爱因斯坦将其上升为科学【公设】或者【科学原理】，然后用【演绎法】做逻辑推理，得到钟慢尺缩的结果，也就是《狭义相对论》，它的数学方程叫洛仑兹变换。

所以，目前来说，问光速为什么不变是没有意义的，因为它是一个假设，只能被证伪，不能证明。 这就相当与问为什么圆周率是派？ 如果一定要回答，只能这样回答，如果圆周率不是常数派，那它就不是一个园圆，如果光速是可变的，那就不是我们这个宇宙。如果乌鸦是白的，他就不是乌鸦。

光速不变原理是爱因斯坦创立狭义相对论的基本假设之一，可以从很多不同的角度来理解光速不变原理，不过要说到本质，我觉得光速不变原理最重要的本质就是因果律不能被违反。

如果光速是会改变的（比如在火车上发消息的速度比在地上更快），那么我们可以想办法去「追光」。当我们追上了光的速度时，此时如果关注一个信号的发送和接收过程，会在某些参考系看到「倒果为因」的过程，即先看到信号的接收，再看到信号的发送，这也是为什么在一些书籍上会提到超光速引起的「时间倒流」的原因。不管在怎样的参考系中，都不应该先观测到信号接收，再观测到信号发射，这就是光速不变原理的本质。一旦信息超越光速传播，就可能导致因果律的破坏，而爱因斯坦本人是「因果律」最为坚持的守护者，他当然不能忍受这种超距作用的存在。

光速不变还意味着所有无质量粒子存在着速度极限，因此所谓的瞬时的信息传输（超距作用）是不可能存在的。

此外，还有值得一提的一种理解就是「以太不存在」。光速不变原理完全可以由电动力学的麦克斯韦方程得到（真空中的电磁波的速度是一个取决于真空的介电常量和真空磁导率的常量，与参照系无关），而且也早就被迈克耳孙—莫雷实验所证实（获得诺贝尔奖的引力波探测器的原理也是迈克尔孙干涉仪）。

磁场里光速流动的物质转化为金属态氢离子。

太阳射线进入地球磁场产生金属态氢离子，金属态氢离子的“磁力矩”切割磁力线释放电磁波——光子。

光速是即时速度，光的传播离不开金属态氢离子的“磁力矩”形成的共振；光是物质波，具有波粒二象性。

光速不变的本质是光并不是实体传播，而是能量传播，速度是它的外在能量体现，在每一个世界中都是恒定的，无法超越，但是从不同的世界看却是并不如此，因为速度的本质是相对的。光速无法测量出不同，因为在每一个世界中都是恒定的，我们要测量就要用到本世界的工具，而光对本世界的一切速度都是不变的。光的内在能量是频率和波长，它能量的增加和减少都体现在频率和波长上了，无法影响速度。所以光速对每一个世界内部看是不变的，是绝对的，以外世界来看则是相对的，绝对的速度不存在。

狭义相对论真正革命的意义在于时空，我们不仅在穿越空间，也在穿越时间，当物体相对于观察者静止时，没有穿越空间但仍然穿越时间，当运动时，部分时间转化为运动速度，因此时间变慢，时间和运动速度互为转变，当速度达到光速时，表明时间流逝速度完全转化为运动速度，时间为0，因此，使得光速为最高速度，任何物体时间和运动的合数正好是光速

光速不变原理是爱因斯坦狭义相对论基本假设之一。指对任何惯性参照系，真空中的光速都一样，不依赖参照系。这个数值约 299999.987（公里/秒)

举个例，如果 汽车 以30米/秒的速度前进，按伽利略速度变换公式，车灯射出的光对地述度应是299999.987（公里/秒)加上30米/秒，大于真空中光速。但这是不对的，对高速对象，伽利略速度变换公式已经不成立，而应遵守相对论速度变换公式。同时，可以证明伽利略速度变换公式是相对论速度变换公式在低速情况下的近似结果。接此理论，真空中光速是速度的极限，一切实物的速度都小于光速，只有真空中电磁波(含可见光及不可见光)的速度都等于光速。

当然，对于完全不了解相对论的读者，接受这观点是有困难的。

不是光速不变，是“测量的光速不变”。

Answer 2

光速不变原理指出，同一束光相对于所有参照物的传播速度都一样，不管这些参照物是运动的或是静止的，也不管光源是否运动。

光速不变理论其实是不切实际的错误理论，下面不妨对其错误原因进行一下探讨。
确定速度的大小必须有明确的参照物才有意义。而光速不变原理却说，光相对于所有的参照物传播速度都一样。所谓的相对于所有参照物，其实质就是没有明确的参照物，没有明确的参照物则速度就无从谈起。那么应该如何确定光相对于一参照物的运行速度呢？光是电磁波，光是波的一种，因此用波动理论诠释光速最合理，也最可靠。也就是说，光速问题实际就是波速问题，可以使用波速的确定方法确定光速。下面我们不妨就先研讨一下波速的确定方法。
波速确定方法与实物粒子运行速度的确定方法有所不同，波具有以下两大传播规律：
(1).波在传播介质中的传播速度是由传播介质的性质决定的，波在性质稳定的传播介质中的传播速度是固定的。
(2). 波源在传播介质中的移动不会影响波在传播介质中的传播速度。在确定波速时，波源在传播介质中的移动速度并不能参与波速的合成。既然是这样，波的传播介质就是波速的第一参照物。
根据波的以上两大传播规律，可归纳出以下的波速确定方法：
(1).首先确定波在传播介质中的传播速度。
(2).再确定波的传播介质相对于参照物的移动速度。
(3).然后把两个速度合成，就是波相对于该参照物的传播速度。
(4).波传播过程中，若波到达区域的传播介质性质出现了改变，则波的传播速度也会跟着改变。
总结：波速是由传播介质的性质与传播介质相对于参照物的运动状态两大因素决定的。
传播介质是波速的第一参照物，要想知道波相对于其它参照物的运行速度，就必须首先知道波的传播介质是什么。因此，确定光的传播介质是解决光速问题的关键。今天，光相对于各参照物的传播速度无法确定的问题，正是光不需要传播介质这个错误理论造成的。也正是在这种无法确定光速的情况下，才出现了不切实际的光速不变的假设。
波的形成与传播需要两个基本条件：波源和介质。波源是产生振动的物体，而介质则是振动能量传播所需的物质，这两个条件缺一不可。没有波源就无法产生振动，而没有介质则无法传播振动。而介质的震动只是在一平衡点进行，介质并不会随波的传播而移动。因此，必须有连续的传播介质波才可以传播下去。光波的传播也应如此，否则它就不属于波，也不会表现出各种各样的波的特性。那么又该如何确定光的传播介质是何种物质呢？其实方法很简单，既然波是靠介质的有序震动进行传播的，根据波的这个传播特点，就可归纳出确定波传播介质的方法，即：波传播时，在传播地点做有序震动的物质，就是波的传播介质。那么光传播时，是那种物质在做有序振动呢？是电磁场。因为光传播时，光波中电磁场的强度，进行着周期性的大小变换。电磁场强度的这种大小变换，实际就是电磁场在振动，变换中的电磁场的最大强度，正是电磁波的振幅。所以说，电磁场就是电磁波的传播介质。由于磁场是电场的另一种表现形式，也可认为：光的传播介质是电场。
人们之所以会认为光传播无需传播介质，是因为宇宙中一些星球发出的光可以穿过浩瀚的太空到达地球，人们一直认为浩瀚的太空是真空的，光既然可以在浩瀚的太空中传播，于是便有人认为光传播不需要传播介质。电场是由组成物质的带电粒子发出，并可以向远处无限的延伸。由于宇宙中存在有数以万亿计的星球，这些星球大都是由带电粒子组成，所以它们会在太空中形成各自的电场，这些电场才是光可以在浩瀚太空中传播的原因。
使用光的传播介质电场，还可以很容易的解释迈克尔逊-莫雷实验。迈克尔逊-莫雷实验测得，在地球附近空间中，光在各处及各个方向上的传播速度是相同的。为什么会有这样的结果呢？有以下两个方面的原因：
(1).由于其它星球距离地球太遥远，它们在地球附近形成的电场与地球自身形成的电场相比可以忽略，地球附近空间中的电场主要由地球自身形成。因此，地球附近空间中的电场与地球是成为一体的，没有相对运动。
(2).传播介质的性质决定着波在该传播介质中的传播速度。在地球附近空间这个特定区域里，电场的性质处处都基本相同，因此在这里测得的光速也都基本相同，为每秒约30万公里。
正是基于以上两点，才造成在地球附近空间中测量到的光速，在各处及各个方向上都基本相同。
基于上面的两点还可以明白：来自太阳或其它星球的光，它们在太空中传播时，不管其相对于地球的传播速度是多少，当它们到达地球附近后，其相对于地球的传播速度都会变的相同，为每秒约30万公里。正是各星球照射到地球上的光速相同，造成一些人认为光相对于各星球的传播速度都一样，便得出了不切实际的光速不变理论。在科学研究中，不能根据事物的表面现象下结论，要学会透过现象看本质。太空中的光相对于地球的传播速度并非是恒定不变的，因为太空中的电场，是由宇宙中数以万亿计的运动着的星球共同形成，当空间位置改变时，电场的强度与运动状态可能也会改变。电场的强弱变化以及电场的运动，都会影响光的传播速度，所以光在太空中并不会一直以恒定的速度传播。测量得到的每秒30万公里的光速，实际上是在地球附近空间这个特定区域中的光速。
有了可作为光速第一参照物的传播介质电场，还可以很容易的确定光在地球附近空间中传播时，其相对于各类参照物的传播速度。下面就通过一事例来诠释一下此类情况。
在地球附近的空间中，光的传播介质电场与地球没有相对运动，也即是，在这个区域里光的传播介质相对于地面是静止的。
假设光在地球附近空间中的传播速度是C。则一个停在轨道上的火车，其前车灯发出的光，相对于轨道的传播速度就是C。由于火车没有运动，则火车相对于光的传播介质的运行速度是0，所以此时该光相对于火车的传播速度也是C。若该火车以速度V向前行驶，请问火车此时前车灯发出的光，相对于轨道与火车的传播速度又各是多少呢？
由于光源的移动不会影响光在传播介质中的传播速度，则行驶的火车前车灯发出的光，相对于轨道的传播速度仍是C，而不是C+V。
这里要明白，波速的确定方法与实体物质运行速度的确定方法有所不同。在运行的火车上，若有人在车厢内沿火车运动方向向前行走，则该人相对于轨道的移动速度就是车速与人行走速度之和。但波速的确定方法却不同，波速是由传播介质的性质与传播介质的运动状态两者决定，与波源的运动状态无关，所以不能简单相加，需按照前面归纳的波速确定方法计算。
由于行驶的火车相对于光的传播介质的运行速度不再是0，而是V，且火车行驶方向与光传播方向一致，则此时该光相对于火车的传播速度不再是C，而变为C-V。这里要注意，光虽说是由火车发出的，但其相对于移动的火车的传播速度并不是C。
火车行驶时，其前车灯发出的光，相对于轨道与火车的传播速度不再相同，由此说明光速不变原理是错误的。
大道至简，光速的确定方法与其它波并没有什么不同。光不能在无传播介质的空间中传播，也不存在光速不变原理。