為什么真空光速相對(duì)所有參考系速度不變？——因?yàn)檎婵展馑俨蛔兪且粋€(gè)觀測(cè)事實(shí)。以下是我的講述：

一、物理思維

昨天在私信里，回答了一個(gè)小伙伴出的高中物理題，在給出答案后，我強(qiáng)調(diào)了一句：解答這種問題的關(guān)鍵是對(duì)整個(gè)物理過程有一個(gè)清晰的圖像，至于數(shù)學(xué)公式，只是這種過程的一種描述，把參數(shù)代入公式后，答案就自然出來了。

其實(shí)，建立物理過程的圖像就是物理學(xué)中所說的要尊重客觀現(xiàn)實(shí)。那么對(duì)于真空中的光速來說，客觀現(xiàn)實(shí)就是——事實(shí)上觀測(cè)到的真空光速是不變的。愛因斯坦把這個(gè)觀測(cè)事實(shí)上升到了一條基本原理作為相對(duì)論的基礎(chǔ)，即真空光速不變?cè)怼?/span>

二、原理和公理的區(qū)別

我們都知道數(shù)學(xué)中是有很多公理的，比如歐幾里得幾何中，過任意兩點(diǎn)有且僅有一條直線。數(shù)學(xué)中的公理是不需要證明的，是大家公認(rèn)的，直接拿出來就可以用。

而物理學(xué)中的原理的含義與公理不同點(diǎn)是，原理在當(dāng)下可以拿出來直接用，在一個(gè)階段內(nèi)不需要證明，已經(jīng)經(jīng)過大量的實(shí)際檢驗(yàn)，是一個(gè)直接觀測(cè)到的基本事實(shí)。

但原理有可能被推翻，如果有一天我們測(cè)量到的真空光速不再是固定值，那么這條原理就需要被修正，或者是被廢棄。不過目前為止，人類還沒有發(fā)現(xiàn)真空中光速存在變化，所以這條原理仍然正確。

三、光速測(cè)量簡(jiǎn)史

了解了物理思維和什么是原理之后，我們要來看一下真空光速不變是怎么發(fā)現(xiàn)的。17世紀(jì)之前，天文學(xué)家和物理學(xué)家都認(rèn)為光速是無限大的，宇宙中的星光可以瞬間到達(dá)地球。

伽利略是第一個(gè)對(duì)此提出質(zhì)疑的科學(xué)家，為此，他在1600年左右曾經(jīng)嘗試過用簡(jiǎn)陋的儀器測(cè)定光速，結(jié)果大家都知道，沒測(cè)出來。光速太快了，他的儀器不行。

1676年，羅默提交了一份利用衛(wèi)星食計(jì)算的光速報(bào)告，報(bào)告中依據(jù)11月娥下一次衛(wèi)星食要比改革局8月份觀察進(jìn)行計(jì)算得到的時(shí)間推遲了10分鐘左右，這個(gè)矛盾可以假定從光到木星到地球需要時(shí)間而得到解釋。

這是人類歷史上第一次以測(cè)量為依據(jù)提出了光以有限速度傳播，不過我們要很坦率地說，這個(gè)觀點(diǎn)其實(shí)證據(jù)不足。這是因?yàn)?，?dāng)時(shí)對(duì)于木星衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律還沒有完全掌握，所以計(jì)算肯定會(huì)有比較大的誤差。

1728年9月，布拉德雷發(fā)現(xiàn)了光行差現(xiàn)象，即星的表觀位置在地球軌道速度方向上的位移。根據(jù)光行差角α＝v/c(v是地球軌道速度)，可以估算光速值，這項(xiàng)獨(dú)立觀測(cè)使科學(xué)家確認(rèn)了羅默當(dāng)年所觀測(cè)的木星衛(wèi)星食的延遲就是光速有限的有力論據(jù)。

1834年，英國(guó)物理學(xué)家惠斯通設(shè)想了一種用旋轉(zhuǎn)鏡來測(cè)定電火花持續(xù)時(shí)間來測(cè)定光速的方法，雖然這種方法的思路是正確的，但是惠斯通自己沒能完成，最后這個(gè)辦法是由發(fā)過物理學(xué)家菲索于1849年實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)測(cè)得的光速值為312000千米/秒。這個(gè)數(shù)值與天文學(xué)家公認(rèn)的光速值差距很小。

菲索之后，有很多的物理學(xué)家參與到光速測(cè)量中來，比如傅科（做傅科擺證明地球自轉(zhuǎn)那位）、其中法國(guó)的科爾尼于1874年和1878年兩次測(cè)得的光速分別為2.985X10^8米/秒和3.004X10^8米/秒、1881年，英國(guó)詹姆斯和福布斯測(cè)得的數(shù)值為3.01382X10^8米/秒。

邁克爾遜對(duì)傅科的裝置進(jìn)行了改進(jìn)，把其測(cè)量精度提高了200倍以上。1879年，邁克爾遜用這套新的旋轉(zhuǎn)棱鏡裝置，安裝在不同地點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)春、夏、秋季節(jié)最好的時(shí)候，只有在日出后一小時(shí)和日落前一小時(shí)大氣條件最佳的情況下，才能在他的狹縫得到穩(wěn)定的像。邁克爾遜的測(cè)量實(shí)驗(yàn)歷時(shí)3年多，共得到504組數(shù)據(jù)，最終獲得的光速值為299853±30千米/秒。

1923年，邁克爾遜再次利用重新改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)棱鏡，在加利福尼亞的兩個(gè)相距約35公里的山頭之間重做實(shí)驗(yàn)，這次把這個(gè)光速數(shù)值的精度提高到299798±4千米/秒。這是當(dāng)時(shí)得到的最精確數(shù)值。

四、光速測(cè)量的其它方法

最早光速的準(zhǔn)確數(shù)值是通過觀測(cè)木星對(duì)其衛(wèi)星的掩食測(cè)量的。還有轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪法、轉(zhuǎn)鏡法、克爾盒法、變頻閃光法等光速測(cè)量方法。如今我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中主要是使用光拍頻法測(cè)量光速。

我們知道，光速c=s/Δt，s是光傳播的距離，Δt是光傳播s所需的時(shí)間。例如c=fλ中，λ相當(dāng)上式的s，可以方便地測(cè)得，但光頻f大約1014Hz，我們沒有那樣的頻率計(jì)，同樣傳播λ距離所需的時(shí)間Δt=1/f也沒有比較方便的測(cè)量方法。如果使f變得很低，例如30MHz，那么波長(zhǎng)約為10m。這種測(cè)量對(duì)我們來說是十分方便的。這種使光頻“變低”的方法就是所謂“光拍頻法”。

在現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室中我們可以利用激光束通過聲光移頻器，獲得具有較小頻差的兩束光,它們迭加則得到光拍；利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測(cè)量這兩路光拍到達(dá)同一空間位置的光程差（當(dāng)相位差為2π時(shí)光程差等于光拍的波長(zhǎng)）和光拍的頻率從而測(cè)得光速。

五、光速不變與相對(duì)論

我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上能看到很多質(zhì)疑相對(duì)論的言論，這些言論最具代表性的就是利用邁克爾遜莫-雷實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的各種解釋，來質(zhì)疑光速不變?cè)?。然而我們從光速的測(cè)量歷史上可以看出。確定光速不變這一事實(shí)的過程中，根本沒有MM實(shí)驗(yàn)什么事。

MM實(shí)驗(yàn)的目的并不是為了測(cè)定光速，而是為了尋找以太。MM實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，以太不存在。這也能解釋，為什么愛因斯坦在提到光速不變?cè)淼臅r(shí)候，并沒有提及MM實(shí)驗(yàn)的原因。

1983年，光速取代了保存在巴黎國(guó)際計(jì)量局的鉑制米原器被選作定義“米”的標(biāo)自準(zhǔn)，并且約定光速嚴(yán)格等于299,792,458米/秒，此數(shù)值與當(dāng)時(shí)的米的定義和秒的定義一致。后來，隨著實(shí)驗(yàn)精度的不斷提高，光速的數(shù)百值有所改變，米被定義為1/299,792,458秒內(nèi)光通過的路程。

根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)，所有電磁波，包括可見光，在真空中的速度是常數(shù)，即是光速。強(qiáng)相度互作用、電磁作用、弱相互作用傳播的速度都是光速，根據(jù)廣義相對(duì)論，萬有引力傳播的速度也是光速，且已于2003年得以證實(shí)。

根據(jù)電磁學(xué)的定律，發(fā)射電磁波的物體的移動(dòng)速度不會(huì)影響電磁波的速度。結(jié)合相對(duì)性原則，觀察者的參考坐標(biāo)和發(fā)光的移動(dòng)速度不會(huì)影響被測(cè)量的光速，但會(huì)影響波長(zhǎng)產(chǎn)生紅移、藍(lán)移。這是相對(duì)論的基礎(chǔ)。相對(duì)論探討的是光速而不是光，就算光速的值會(huì)發(fā)生微小的變化，也不會(huì)影響相對(duì)論。

結(jié)束語——真空光速不變是測(cè)量得到的客觀事實(shí)

光速是不是在所有的宇宙空間內(nèi)不變，物理學(xué)家們并不知道，但已知的是，在我們目前的測(cè)量條件下，在我們可觀測(cè)到的宇宙范圍內(nèi)，真空光速不變是一個(gè)觀測(cè)得到的結(jié)果。

科學(xué)之所以科學(xué)不是因?yàn)槠淠軌驅(qū)捎^測(cè)的事實(shí)作出精確描述，同時(shí)還因?yàn)槠淇勺C偽性。這就是說，在沒有觀察到真空光速存在其他速度的前提下，真空光速不變可以作為一個(gè)基本原理直接引用。

歡迎對(duì)所有的科學(xué)基本原理提出質(zhì)疑，但需要注意的一點(diǎn)是——請(qǐng)拿出可以重復(fù)的觀測(cè)實(shí)證，而不是對(duì)已知的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行無腦解讀。對(duì)于已知實(shí)驗(yàn)的各種解讀，科學(xué)家們已經(jīng)考慮得太多了，才確定了最后的結(jié)論。

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