如何彻底搞懂狭义相对论里的“光速不变”？

物理学, 相对论, 光速不变原理

为什么很多人觉得光速不变难以理解呢？因为大部分人一开始听到光速不变的时候，总会下意识的根据自己时空观和经验的理解得到一个自己的答案。但其实，我们在说光速不变的时候，常常包含三个不同层面的意思，把这三个不同层面的光速不变都搞懂了，所有的疑惑才能迎刃而解。

1、光在同一媒介中的传播速度不变

光在不同的媒介中传播速度是不同的（但这并不是说光传播需要它们作为介质，仅仅表达光在他们之中穿过而已，光的传播不需要任何介质），比如在真空中传播的速度最快，在空气、水、玻璃中传播速度要慢一些，但是光在同一媒介中传播速度是不变的，这是由电磁学规律决定的。

我们现在都知道光其实是一种电磁波，那么光必然也遵循麦克斯韦方程组，从麦克斯韦方程组可以很容易的推导出光速（电磁波速度）：

其中 ε是介电常数， μ是磁导率，它们在同一介质中都是固定常数，从这里也可以很容易的看出光在同一介质中的速度是不变的常数，它只和介质中介电常数和磁导率有关。

2、光速不随光源的运动而变化

要理解光速不随光源的运动而变化还是很简单的，其实不光是光这种电磁波，我们普通的水波也是这样。

打过水漂的人应该都有印象：将一块石头在水面上以一个非常小的夹角快速扔出去，在水面上就会形成一连串的水波，而且，所有的水波都是圆形的。这说明了什么？这说明虽然石头在快速的朝前方运动，但是水波的速度并没有改变。如果顺着石头方向的波速大于逆着石头运动方向的波速，那我们看到的水漂形成的水波应该是一个被拉伸的扁的椭圆形，但是我们看到的却是标准圆形，告诉我们水波波源的运动并没有影响波速。

我们可以这么直观的去理解这个事：水波的传播主要是靠水相邻点的振动传出去的，石头在水面上飞行的时候，虽然石头在运动，但是作为介质的水并没有参与到其中的运动里来，所以没影响。那我们再考虑电磁波，电磁波的传播是电场和磁场相互感应产生的，所以电磁波传播的速度其实是电场和磁场相互感应产生的速度，难道光源运动会改变电场产生磁场的速度？这想想也不可能。

所以，光速不随光源的运动而变化其实是很多波的通用性质，大部分人也容易理解，真正难以理解的是下面的一条。

3、真空中的光速不随参考系的变化而变化

这是光速不变最难以理解的地方，也是许多困惑和争议的根源，在这里，光和水波声波这类机械波表现出了本质的不一样。

我还是以水波为例，假设我们在一辆平稳的火车上放了一个水池，一个石头落在水池里产生了一个水波。那么，假设我先以火车为参考系，在火车里面的人看到水波有一个速度，然后我再以地面为参考系，我在路边的人看火车里的水波传播速度，那么这两个速度肯定不一样，我在地面上看到的水波的传播速度肯定是火车的速度加上火车里观察到的水波的速度。

这就说明，在不同的参考系里（火车里面的人和地面上的人）看到的水波的速度是不一样的，就是说水波的速度是随着参考系的变化而变化的。但是，光波不！！！

光就是这么有个性：我在火车（假设在真空中）上发一束光，测得的速度是光速c，我在地面上再测那束光的速度，他还是光速c。你以为你在地面上测的光速会等于火车上的测的光速加上火车的运行速度么？恭喜你，你跟物理学史上最伟大的物理学家之一的牛顿想法一致，但是这是错的，无数的实验无情的否定了这个想法。

而这个光速不变，也就是光速不随参考系的变化而变化，才是作为狭义相对论的根基的那个光速不变。

思思哥: 小爱同学。我在！ (12 赞)

其名鲲:

看了你举得例子感觉有了一个疑惑。

打水漂，石头移动不影响水波的扩散。

这是因为石头在击出水波后不再和波形成的那部分水产生关系。

电磁波，也就是光，产生以后也和光源脱离了关系，所以光源的运动不影响光速。

那问题在于，石头离开了，水波还在，光源离开了，光还在吗？

水波是水震动产生，光是电磁场的震动吗？是否宇宙中存在一个场，就像一个水池一样，光源就像石头，能够击起电磁波？？

光在真空也能产生，那这个场是否是弥漫整个宇宙？

一些疑惑。 (4 赞)

刘政 -> 其名鲲:

水波慢，所以石头走了波纹还在
光速快，所以光源消失的瞬间就已经看不到光了
但是天文尺度上，距离足够选，就能看到这个效果
上边有人说了，要是太阳突然爆炸，几分钟后地球上才能看到 (4 赞)

困囿囚 -> 其名鲲: 光源离开了光是存在的，会在宇宙中慢慢损耗变弱最终消失 (1 赞)

张占雄 -> 困囿囚: 微波背景辐射 (1 赞)

随便起的 -> 其名鲲: 我的理解是以太阳为光源，现在太阳突然消失，在同一时间尺度上，我们感受不到，或者说在8分钟之后我们才会知道太阳消失，这是否可以说光源离开了，光还在呢？在我们所理解的空间尺度上可能手电关掉了就看不到光看了，但是扩大空间尺度，光还存在之不过是运动的太快你看不到了。我的理解是这样的，不知对错。

Perli -> 刘政: 水波慢，所以石头可以追上甚至超过水波；那假如光源移动的速度足够快，能够追上它所发射出去的光波吗

居延曾经是个海 -> 其名鲲:

水波是机械波，作为弹性体（此处忽略流动）的水既是震源也是介质，石头只是个激励而已，因为弹性势能动能转换会存在相当长时间，因此震源也存在相当长时间。
而电磁波的震源（姑且成为震源）是变化的电场/磁场，是有跃迁的电子产生（这部分不懂完全信口开河），跃迁停止，交变的电场/磁场消失，震源处的电磁波或交变场及消失。

杨升山:

这里是混淆视听了。在经典力学中就存在四种情况下的光速不变假设，但与相对论的光速不变没有共同的地方。在相对论中的光速不变，指的是不同的参照系中光速都有相同的数值，这个表现在对相对论效应公式的推导过程中。
其实，书本上关于光速不变的定义，就是有歧义的。[在真空中，光的运动速度恒定不变]与[与光源的运动速度无关]就是两种情况，前者是以真空为参照系进行测量的，其实就是经典力学中的惯性定律的表现，真空中物质稀少，对光子的作用力就小，光子就保持原有的运动速度一直运动。对于后者，就是使用波动理论以媒介以太作为参照系的叙述，就如你们使用水的波动现象进行的解释那样。
这里，你们没有提到多普勒频移现象，也没有提到测量者相对光源的运动。从多普勒效应中，测量者相对光源有运动时，会测量出来与光源发射出的光的频率不同，而测量者不能改变光源发射出的光的运动现象，也就是不能改变光源发射出的光的波长与频率，这个频率的差别就是不同参照系测量出的光速不同。因为频率×波长=光速。
需要注意到的是，这是不同参照系测量同一个光源得到的光速不同。不是同一个光源发射出的光的频率不同就有波长不同。
对于双星系统的光能同时到达地球，是人们接受到的光的频率不再是光源发射出的光的频率了。
先说这些，欢迎反驳。 (5 赞)

昌月朝 -> 杨升山: 杨先生指出了光速不变的错误原因，那什么所见略同!

Perli -> 昌月朝: 我差点看成了杨升仙，还纳闷儿啥时候仙人也来研究科学了？

居延曾经是个海 -> 杨升山: [捂脸]槽多无口

杨升山 -> 居延曾经是个海:

不要因为相对论效应的那个因式在速度很低时，它的数值近似等于1，就说回复到了经典力学。其实，如果两个数据间要能够进行正逆变换，变换因子是互为倒数的关系，相对论使用同一个因式进行正逆变换
这个因式就要等于1 事实上，只有因式中的速度数值等于0时，这个因式才会等于1。也就是说，相对论只是速度很低的情况下的近似理论。

格物致知: 世界没有唯一的法则，只有不同的描述，如果你的描述能自圆其说，就能得诺贝尔奖了 (3 赞)

doctorsinian -> 格物致知: 诺奖从来不发给纯粹理论，只发给客观发现。爱因斯坦只能搞一个光电效应拿诺奖，相对论是不行的，一个医生反对。 (6 赞)

格物致知 -> doctorsinian: 杨振宁也没有因杨米尔斯规范场得奖，而是宇称不守恒得奖，你说得对，诺贝尔向来不办法给框架式的理论。 (4 赞)

朱成斌 -> 格物致知:

诺贝尔奖E=hV， h=Pλ=mCλ。
E=mCλⅤ
E=mCC。
或E=PC这个动量P╳C=动量，的公式很丑很丑？？

扫地僧: 请问，光是如何前进的，如果是粒子或者是其他东西（不论它是什么吧）光应该不会消失才对，当光源消失的同一时间光就消失了，如果一个物体发光一年的时间，光源在关闭一年后由它发出的光才应该完整的消失才对。 (2 赞)

长尾科技 -> 扫地僧: 光是电磁波，根据麦克斯韦的理论，变化的电场产生变化的磁场，磁场又产生电场，如此循环传播出去。距离一光年的东西光源突然没了，一年之后才能看到他没了，这很正常，现在太阳突然消失了，也要到八分钟之后地球上才能感觉到 (20 赞)

朱成斌 -> 长尾科技:

去把牛顿F=Ma与动量P=mC溶合成牛动物理公式得。
(M-m)a=2MmⅤ
注明。
Ⅴ表示频率，由牛动物理公式转换求频率V=(M-m)a/2Mm
M与m既表示波长又表示粒重，波粒单位转换1米=1000千克。 那么牛动物理公式两边乘以1000Kg得。

1000╳(M-m)a=2╳1000MmⅤ。

上牛动物理公式左边假定a是9.8m/ss，那么右边的mⅤ必是≤1/2a。若左边用C代a，那么右边的m╳Ⅴ必然是≤1/2C。

所以光是能量加速度，质量大速度慢，反之质量轻速度快。 (1 赞)

乔帮主 -> 扫地僧: 光源消失光是不会消失的，除非转变成了其他能量

乔帮主 -> 乔帮主: 光就像打出的子弹一样，只有没力干涉子弹因为惯性是一直运动的，和枪消失不消失没关系了

昌月朝:

长尾科技 你好！
【光就是这么有个性：我在火车（假设在真空中）上发一束光，测得的速度是光速c，我在地面上再测那束光的速度，他还是光速c。你以为你在地面上测的光速会等于火车上的测的光速加上火车的运行速度么？恭喜你，你跟物理学史上最伟大的物理学家之一的牛顿想法一致，但是这是错的，无数的实验无情的否定了这个想法。】
你说有无数的实验无情地否定了这想法，你能具体给出一个实验吗？分析一下全过程，看看是否是你说的这样，我看你不过是文字的搬运工，没有啥思想内涵，人云亦云。

一个人 -> 昌月朝: 想问一下你的潜台词是想说压根没实验作者胡说的，还是说承认实验存在但是作者不知道，你是想找一个懂实验原理帮你分析的人，觉得作者水平不行只知道结论不知道过程而已？ (1 赞)

昌月朝 -> 一个人:

【想问一下你的潜台词是想说压根没实验作者胡说的，还是说承认实验存在但是作者不知道，你是想找一个懂实验原理帮你分析的人，觉得作者水平不行只知道结论不知道过程而已？】
就是想知道“无数实验”到底是哪些实验，你能说具体点儿吗？

一个人 -> 昌月朝: 一个百度就可以完成的事情却要别人花时间告诉你，白嫖的不要不要的

昌月朝 -> 一个人:

【一个百度就可以完成的事情却要别人花时间告诉你，白嫖的不要不要的】
知识都在那里，关键是你理解多少，难道因为百度里的知识就是你的?你真厉害，竟然会用百度，还会指导他人用百度。
你真正分析过任何一个实验吗？怕是一知半解或只知道个名字吧！

一个人 -> 昌月朝: 我自己懂不懂我也没求着说让别人来白白告诉我呀，我不懂我会自己去想办法弄懂呀，你在做什么呢？不是白嫖还是什么呢？

昌月朝 -> 一个人: 还没有学会讲道理吧？我就不陪你玩了。屏蔽你!

Look: 不理解光速不变原理，跟小说里的时间不存在原理一样

刘政 -> Look:

从古至今，所有的时间都是用运动来定义的
所以说时间不存在我能接受 (4 赞)

刘政 -> 刘政: 但是光速相对参考系不变真理解不了

啦啦啦 -> 刘政: 加满水的杯子

deming -> Look:

针对开头说明里的第3条（真空中的光速不随参考系的变化而变化）有些不解：在火车-
水池的实验条件下，测量水波波速，跟我们在宇宙里测量光速的情况不同吧，更准确的对应条件应该是，我们站在宇宙之外，把宇宙看作运动的水池，那么那时候我们相对自己测量光速的话，就不会有光速不变的结果了。

实际上，文章第3条的问题在于，观察者没有在水波传播的介质里测量波速，试想，如果观察者也身处那个火车上的水池子里，那么此时测量的到的水波波速也会是固定值。

我觉得，所谓“光速不变”难以在牛顿经典力学的框架下理解，是因为牛顿认为光是粒子，那么光的传播就是光粒子在时空参考系中的运动，其速度必然是相对参考系的，同时也是默认了光粒子是与参考系无关的物体；而麦克斯韦的框架下，光是波，光速是波速，那么在确定的均匀介质（如真空）里测量波速，就是一个决定于介质特性的固定值，光波不是独立于运行其中的参考系的，光速是时空连续体本身的特征之一。

这样把光速解释成时空连续体中的波速，“光速不变”就很容易理解了，就像空气里的超音速飞机，即使它超过音速了，但是音爆的轰鸣仍然以音速传播。文章里的三条说明，也可以很容易解释清楚。

我是以本科普通物理学的知识残渣来分析的，想的也不足够清楚，估计有很多漏洞吧。 (1 赞)

日升汤谷 -> deming: 错了，在超音速飞机上看光速也是不变的，光波和机械波有本质区别

困囿囚 -> deming: 你可以这样思考，在宇宙飞船中奔跑，你可以一直奔跑，宇宙飞船可以加速到光速的百分之99，你的时间概念就是时间并没有变化，你的速度一直这么快。但是在飞船外看来你速度特别慢，你的一秒五米其实外界的观测已经过了几个世纪那么久才达到五米，你在飞船能达到光速这么快折算成外界的速度加上飞船的速度就是光速。如果飞船能达到百分之百光速，你在外界看来静止了，你也确实静止了。不过你是感觉不到的。

king: 可不可以这样理解，光没有质量也不是物体，光源的移动不会给光带来速度，你手上一个激光笔发光，你突然把激光笔往前冲过去，如果你发射的是子弹那么他的速度会变快，因为你移动子弹消耗了能量，给与了他动能，但是光没有质量，你没有给光动能，光源的移动并不会影响光，只是改变了光发出的位置 (3 赞)

可以 -> king: 好

天上星星 -> king: 好

水果豆腐: 既然光速不变，为什么宇宙中的星系会有多普勒效应，会发生红移 (1 赞)

磕水 -> 水果豆腐: 多普勒效应是频率和波长的问题，光速不变不代表波长*频率不变

水果豆腐 -> 磕水: 波长*频率不就是波速了嘛，

磕水 -> 水果豆腐: 不好意思说错了，光速不变不代表波长和频率都不变，两个同时变但积不变 (1 赞)

FoL折耳 -> 水果豆腐: 有质量的东西就会使空间扭曲，就像黑洞可以形成封闭的视界留住光一样，发生红移只是人眼在远处观测到了这个明显到足以观测的现象，但光径本身还仍是最短，只是不再是欧几里得空间里的直线了，，或许我们本身就处在光(或者光场)之中，就好比没有外物就无法衡量我们的身高体重一样，处在其中的我们只能接受却无法打破光速不变的设定

doctorsinian: 讲得很好！头一次听讲得如此明白。看来相对论也承认超光速的合理。那么超光速现象是在那个坐标系下测量的呢？我有一个基本假设，远比相对论这个光速不变及光速限制要好。那就是物质与真空的相对性，将物质与真空性质互换。把物质看成一个绝对欧氏三维空间，真空是一种细腻坚硬的流体，非常寒冷，内部压强极高，只在微观粒子尺度下能很好流动。物质是真空流体漩涡空穴。光等辐射是真空流体里的机械波横波。于是光速是相对真空流体不变。而真空流体相对于物质绝对三维空间可以任意速度。真空流体在物质空间里符合牛顿力学惯性系一切规律。这样大到宇宙天体，小到基本粒子和各种力全部统一。大统一理论时代到来！

老玖 -> doctorsinian: 我在这里回答吧，大哥，相对论最基本的公式是不允许出现超光速情况的 (3 赞)

民有民享民治 -> doctorsinian:

真空流体在物质空间里符合牛顿力学惯性系一切规律——首先第一条就不行啊，真空有质量吗？怎么测量？没质量？牛顿力学惯性系没法研究没质量的物体。然后力的作用是相互的，天体在真空中走，给真空一个力，真空给天体一个反作用力，时间长了停下来？还是不停做功对抗消耗，又是什么做功呢？消耗又到哪去了？变成微博背景辐射？

好容易发明一个理论，干嘛急着献给牛顿啊？我看作者说的不对，你们就是单纯跟爱因斯坦有仇！

doctorsinian -> 民有民享民治: 你怎知道你测的质量不是真空的？我的观点是真空就像水，物质粒子包括我们都是水中的漩涡波纹。我们认为拿物质测量的物质，实际上是拿真空（应该称之为以太）测量的真空。真空不是真正的空间，只是构成我们的粒子（漩涡波纹）赖以存在的介质，真正的虚无空间恰恰就是我们自认为非常坚实的物质。物质这种我们笃信存在的实体，竟然只是真空这种虚无的存在在更虚无的空间里的一种形式。如爱因斯坦所设想，所有物质存在包括场都是空间的波纹。

乐与怒 -> doctorsinian: 标准民科。

doctorsinian -> 乐与怒: 先看观点正确与否，别看身份是什么。

from: https://api.zhihu.com/articles/36892415