如何理解光速为什么不变（深层分析我们都知道）

日常生活中，我们时刻能感受到速度，也正是因为在我们身边速度的概念太常见了，所以我们都习以为常了，所以不太容易去思考有关速度的一些更深层的东西。

从古代社会，人们就开始认识并定义速度。比如说在古希腊，人们对速度的定义可谓简单粗暴，认为只要物体不受力，一定处于静止状态，而且是绝对意义上的静止。同时，任何运动的物体都有速度，这个速度是绝对的，在任何人眼里都是一样的。

举个例子，你面前停着一辆汽车，在你眼里它就是静止的，在其他人眼里也是静止的。除非汽车受到外力作用，否则会一直保持静止。如果汽车受到外力获得一定的速度，比如说每秒20米的速度，那么在任何人眼里汽车的速度都是20米每秒。

这种对速度的理解方式在我们现代人眼里显得有些可笑，但我们不能嘲笑古人对速度的认知，毕竟任何时代都有很难突破的局限性。古人对速度的错误理解主要是忽略了一点，那就是：参照系！

没有参照系，速度将因此失去意义。

比如说，甲静止在地面上不动，乙和丙在一辆高速行驶的汽车上。在甲眼里，乙和丙的速度很快，但在乙眼里，丙是静止不动的。

所以，丙到底是静止的还是在高速运动？或者说丙的速度到底是多少？

这个问题也再次强调了参照系的重要性，没有参照系，速度将没有物理意义。

在如今的我们看来，给速度定义合适的“参照系”是理所当然的事情，但在几百年前的古人眼里，能够提出“参照系”的概念是非常不容易的。而“参照系”概念的提出，使得人们对速度本质的理解有了更深刻的认知。人们开始明白，世间一切速度都是相对的，没有绝对的速度，这也被称之为“相对性原理”。

看到这里，或许你会不屑于顾：如此简单的物理现象，干嘛说得这么神秘呢？

简单的物理现象背后，往往隐藏着更深层的规律。而光的出现，让人们开始从简单的相对速度思考更深层的物理现象。

我们都知道，光在真空中的速度是30万公里每秒。但前面已经说过，任何速度都是相对的，都必须有参照系才有意义。如此说来，“光在真空的速度是30万公里每秒”的说法就是不严谨的，因为这种说法没有给光定义“参照系”：也就是说，“光相对什么能达到30万公里每秒的速度呢？”

不要小看这个问题，科学家对这个问题的思考和辩论极大地推动了现代物理学的发展，可以说完全颠覆了人们的传统认知。

伟大的麦克斯韦方程组表明，光就是电磁波，同时推导出光的速度只与真空的磁导率和介电常数有关，公式如下：

从公式中可以看出：光的速度公式中没有涉及到任何参照系，也就是说光速是绝对的，光不需要参照系，或者说在任何参照系下，光速都是不变的。这也是光速不变原理。

举个例子，假设你和一束光沿着一个方向飞行，你的速度为20万公里每秒，按照传统的相对速度计算公式，那束光相对你的速度应该是10万公里每秒。

但事实上并非如此，那束光相对你的速度仍旧是30万公里每秒，而且不管你的速度有多快，哪怕无限接近光速，光相对你的速度仍旧是30万公里每秒！

如果你穿越到古代，向人们讲述上述光速的特殊性，古代人们肯定会认为你疯了，哪怕是牛顿估计也很难接受光的这种特殊性。

不要说古代人类，19世纪末20世纪初的科学家也很难接受光的这种特殊性，但除非麦克斯韦方程组错了，否则光就是如此特殊。

但麦克斯韦方程组是如此的优美，甚至被认为是人类历史上最伟大的公式。在后来的不断验证中，麦克斯韦方程组都被证实没有错误。

既然这样，当时的物理学家们就应该心平气和地接受“光速不变原理”。但说起来简单，由于光的这种特殊性与牛顿的经典力学相悖，而牛顿经典力学统治了物理学界几百年历史，早就被“奉为神明”，当时的物理学家想尽各种办法来“左右逢源”，试图调和牛顿经典力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾，但都没有成功。

伟大的爱因斯坦用他那天才般的大脑思维，用“奥卡姆剃刀”把经典力学的思维方式一下子“咔嚓”掉了，提出了完全颠覆传统认知的理论：相对时空观。

爱因斯坦认为，时空并不是绝对的，而是相对的。时间和空间是一个整体，两者不可分割。为了迎合光速的绝对性，意味着某些东西必须发生相应改变，这些东西就是时间和空间。简单想一下也比较容易理解，你在地球上静止不动，我以90%光速飞行，你和我看到的光的速度都是一样的，都是光速，这意味着某些东西（就是刚才说的时间和空间）必须发生改变，不然我们看到的光的速度不应该是一样的。当然用数学也能推导出来时间和空间到底如何改变的，之前的文章有详细说明，这里就不详述了。

简单讲，时间和空间会因为速度（还有引力）的变化而发生改变，这就是时间膨胀（钟慢效应）和尺缩效应。速度越快，时间流逝就越慢。

而相对时空观的一个重要前提就是光速的特殊性：光速是绝对的，在任何运动状态下或者任何参照系下，光速都是恒定的。

严格来讲，你我，地球上每个人的时间流逝速度都是不一样的。只不过由于我们生活在低速世界，我们的速度与光速相比实在太小了，完全可以忽略不计，所以我们很难察觉到时间膨胀和尺缩效应，只有在亚光速世界，才会变得非常明显。