光速不变原理

光速不变原理

什么是光速不变原理

光速不变原理：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。

光速不变原理，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299,792,458 米/秒。

光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的，并为迈克尔逊—莫雷实验所证实。光速不变原理是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一。

在广义相对论中，由于所谓惯性参照系不再存在，爱因斯坦引入了广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。这也使得光速不变原理可以应用到所有参考系中。

光速不变原理的诞生

爱因斯坦1905年9月发表在德国《物理学年鉴》上的那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》,提到光速问题的话有四段：

“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”

“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：

1. 物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

2. 任何光线在…静止的‟坐标系中都是以确定的速度V运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”

“对于大于光速的速度，我们的讨论就变得毫无疑义了；在以后的讨论中，我们会发现，光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。”

“由此，当υ=V时，W就变成无限大。正像我们以前的结果一样，超光速的速度没有存在的可能。”

（《爱因斯坦奇迹年━━改变物理学面貌的五篇论文》[美] 约翰•施塔赫尔主编，范岱年、许良英译，上海科技教育出版社2001年版第97━98页，第100━101页，第109页，第127页。）

系统证明光速不变原理

光速不变原理：无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，都为299792.458公里/秒。

证明光速不变的四项事实。

1）恒星光行差。

2）恒星都是一个一个的小圆点。

3）恒星都静止。

4）太阳光迈克尔逊——莫雷实验。

任意恒星光行差都长期保持不变，证明：光行差不随时间变化，所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为20.5″角距，证明：所有恒星的光速都相同。

《系统分析恒星光行差》中已经详细论证了“光速不变”，所以不再重复。

恒星都是一个一个的小圆点，证明：任意一个恒星的所有的光线的光速都相同，即没有不同光速的光线。

因为没有任何光速…变化‟的现象，所以只有采用…反证法‟。

设：某恒星发来两种光速的光线；光速为c的光线，用c表示；光速为C的光线，用C表示；光速c＞C

因为c和C都是连续的，所以观测者能够同时接收到c和C；但观测者同时接收到的c和C，必然不是同时从恒星发出的。

因此设：c发出的时刻为零；C发出的时刻为t；恒星零时刻的位置为A；t时刻的位置为B；因恒星周日视运动角速度ω＝15.0411″/秒，所以A、B之间的角距φ＝ωt

再设：φ＝10′（太阳直径的1/3）；恒星距离L＝30光年。

则：t＝φ／ω＝10×60†15.0411≈40（秒）

c传播的时间T1＝L/c＝30（年）≈86400×365＝946080000（秒）

C传播的时间T2＝L/C

据题意知：T2＝T1＋t＝L/c＋t＝946080000＋40＝946080040（秒）

所以：C＝L/T2＝946080000c/946080040≈0.9999999577c≈299999.987（公里/秒）

即：如果φ＝10′，则c－C＝300000－299999.987＝0.013（公里/秒）＝13（米/秒）

也就是说：如果两条光线的光速差为13米/秒，则这颗距离为30光年的恒星，就同时在角距为10′的A和B两个位置上。

光速连续比间断变化的可能性大得多，如果恒星光速是在C和c的范围内连续变化的，则看起来，该恒星应该是：长度为10′角距的线段。

因为从未看到过：恒星具有多个位置和任何拉长的现象，所以结论正确。

恒星都静止，证明：所有恒星的光速都不随时间变化，都始终恒为常数c不变。这是因为如果光速不断变化，则看起来恒星必然是运动的。证明方法与上述类似，不再重复。

太阳光迈克尔逊——莫雷实验证明：太阳光的光速不变。

迈克尔逊——莫雷实验的依据是：光速＝波长×频率

光波长和频率都是根据光干涉条纹确定的。根据…杨氏双缝干涉实验‟干涉条纹之间的间距，能够独立推算出…光波长‟，自然可确定…光频率‟。

这样推算确定的光波长和频率的乘积为常数，即不同颜色光的波长和频率的乘积相等；而且乘积数值等于检测的…光速值‟；从而充分证明：…光速＝波长×频率‟成立。

迈克尔逊和莫雷通过长期多次分别检测，来自不同方向的阳光的光速，充分证明：阳光的光速不变。

反对光速不变原理的观点

大家可以注意到，在爱因斯坦论述的光速不变和文章开头论述的光速不变是不一致的，这是为什么呢？

牛顿时空观认为距离和时间，在各个参照系测得的都相同，因此光速是相对的，可变的，而不是绝对的。

首先我们定义1光秒的含义：光在某种稳定介质中一秒所运动的距离。介质可以是水，这个长度是2.25*10^8米，介质可以是玻璃，这个长度是2.0*10^8米，甚至

可以是声音一秒的运动距离，介质是空气，这个长度是340米，还可以是报道过的试验，在某种介质中，光速是17米/秒，在这种介质中1光秒长度为17米，这都不影响下面的论述。

假设有一个1光秒长的玻璃，我们从起点A发出光，一秒时到达B，我们说测得光速1光秒/秒，多次试验结果不变。现在我们处于一个以1米/秒相对玻璃运动的参照系，方向与光相同，一秒时，我们距离B为1光秒-1米，我们在这个参照系测得光运动的距离是1光秒-1米，光速是(1光秒-1)/秒。光速是相对的，这是牛顿时空观结果，速度是相对的，是以变化距离除以时间得到。我们在学习相对论之前，全是用的这种算法，例如A车对地面车速50公里每小时，B车30公里/小时，A相对于B 的车速为50-30=20公里每小时，这是速度叠加原理。

所以说相对论必须假设光速不变才能推导，而在牛顿时空观中，是不能被证明光速不变的。很多人以为爱因斯坦相对论可以离开光速不变假设，这是不对的。爱因斯坦为了保证光速不变，需要修改长度（尺缩），时间（钟慢），就是认为运动的参照系测得的时间，与静止参照系不同，这已经是与牛顿理论完全不同了，而不是兼容关系。

爱因斯坦论述的光速不变，是在“静止”的参照系测得的（可以是相对做匀速直线运动的参照系，这就是伽利略相对性原理），但是，从一个参照系去测量另一个参照系是否还能够得到光速不变？牛顿理论将给出否定答案，而爱因斯坦并未解释为什么还是光速不变。

于是有人提出：各参照系测得的真空中的光速不变。似乎可以解决这个问题了。

但是除光外的其它波都是靠介质传递的，在各参照系中，测得的真空中所有机械波的速度都不变，都是0。这个不用假设，有这个前提，是否足够推导相对论？如果不能，说明真空假设的推论是有问题的，如果能，则说明任何波都有对应的相对论。这个结果结果奇怪吗？

光速不变是正确的但相对论对光速不变的理解有误

参考系之间做相对运动很复杂，在三个轴向可能上都有相对运动，而且可能都不是匀速的运动，搞起来很麻烦，要微分还要积分，累死。