相對論（5）光速為什麼恆定不變？這個問題有答案嗎？

物理光速是多少

上回我們說到，牛頓力學和電磁學出現了明顯的矛盾，物理學家們就假設出了以太來解決問題。

之後就開始找以太，看看這東西到底有沒有，找以太其實就是在找絕對靜止的參考系，以及光的傳播媒介，結果令所有人大為吃驚，這東西根本找不到。

實驗在遭遇失敗以後，又回到了起點，物理學家們又不得不面臨在牛頓和麥克斯韋之間二選一的困境。面對這種情況都不知道如何是好，手心手背都是肉，牛頓力學，電磁學都是親兒子。

這時半路殺出了一個不知名的小青年，不按套路出牌，亂拳打死了一片老師傅。

這位就是大名鼎鼎的愛因斯坦。當時的愛因斯坦只不過是專利局一個小小的三家技術員，這個工作算是公務員，對我們這些普通人來說，這是一個相當體面的工作。

但對於愛因斯坦來說，這個工作的好壞就沒法定義了，要不是大學同窗格羅斯曼求著父親給愛因斯坦找這個工作，估計愛因斯坦還是個無業遊民。

愛因斯坦是1900年7月從蘇黎世聯邦理工大學畢業的，由於他上學時候的表現，讓他的數學老師閔可夫斯基和物理老師韋伯極其惱火，所以給了愛因斯坦非常差的畢業評語。

導致了愛因斯坦畢業以後，沒有一所大學要他，教書的夢想破滅了，愛因斯坦就寫自薦信給其他的物理學教授，看能不能去實驗室當個助手之類的，發出去的信件就像扔進了溝一樣，一點聲響都沒有。

物理學家的夢想也破滅了，把愛因斯坦弄得是不上不下，找不到合適的工作，兩年時間的無收入，讓他吃飯都成了問題。

這一年，愛因斯坦發表了5篇論文，每一篇都足以讓他名垂科學史，關於光量子的論文，使他獲得了諾貝爾獎，也使他成為了量子論的開創者之一；

事實證明，愛因斯坦的性格就適合幹這種朝九晚五的工作，不適合去實驗室，更不適合給人當助手；

在專利局工作的好處非常多，幹完自己的本職工作，就可以無拘無束地思考物理學，沒人限制，更沒人批評年輕的愛因斯坦，愛因斯坦最受不了的就是這個。

1905年這一年，對愛因斯坦來說，像是上帝親吻了他的大腦一般，在他的頭腦中爆發出了驚人的思維風暴。

這一年，愛因斯坦發表了5篇論文，每一篇都足以讓他名垂科學史，關於光量子的論文，使他獲得了諾貝爾獎，也使他成為了量子論的開創者之一；

測量分子大小的論文，使他獲得了博士學位；對布朗運動的解釋，成了驗證原子存在最好的證據，論動體的電動力學，使他統一了時空，最後一篇論文中他提出著名的方程E=mc²。

其中《論動體的電動力學》就是我們要說的主題，後世稱為狹義相對論。

從論文的名字就可以看出，愛因斯坦的目的是想調和牛頓動力學理論和電動力學之間的矛盾。

這篇論文的形式，跟牛頓的《原理》如出一轍，從假設公理出發，經過邏輯嚴密的數學推導，得出定理。

其都延續了歐幾里得《幾何原本》的公理體系。足以見得歐幾里得幾何學對西方科學思想的影響。

在《論動體的電動力學》中，愛因斯坦提出了兩條公設，也被稱為狹義相對論的兩條基本原理。

第一，所有的物理規律，在任何慣性系下，保持不變。稱為相對性原理。

第二，光在真空中的傳播速度恆定不變，稱為光速不變原理。

愛因斯坦正是以這兩條基本假設為前提，經過邏輯演繹，發展出了狹義相對論中的各種定理，所以瞭解這兩條基本假設，對於瞭解相對論來說，非常重要。

因為沒有這兩條假設，就沒有相對論，這兩條假設中的任何一條是錯誤的，那以此為基礎的各種推理都是錯誤的。

我們先說相對性原理，估計有人覺著這個原理很眼熟在哪裡見過，說明你的記性還不錯，伽利略曾經也說過一個相對性原理。

他說，在任何慣性系下，力學規律保持不變。意思就是，在慣性參考系下，沒有哪個運動狀態比另外一個運動狀態更加優越，比如你坐著飛機以每小時800公里的速度巡航，我騎著腳踏車以每小時一個饅頭的速度爬行，從舒適感上你確實比較優越。

但是對於物理學定律來說，一切慣性系都是平等的，你在飛機上做力學實驗，跟我在腳踏車上做力學實驗獲得的邏輯形式和數學形式完全一樣。

這就是伽利略相對性原理，而愛因斯坦認為，為什麼只有力學規律，難道力學規律就比其他物理學規律更加優越？

難道電磁學、熱力學規律都難登大雅之堂？很顯然，上帝喜歡簡單，不喜歡搞這種區別對待，所以愛因斯坦就將伽利略相對性原理擴充套件到了所有的物理學規律，這就是狹義相對性原理。

既然電磁學的邏輯形式和數學形式在慣性系下保持不變，那麼在電磁學中描述光速的方程也應該不變。

由於電磁學中描述光速的方程，跟介質，以及參考系都沒有關係，所以只要這個數學形式不變，那麼光速在慣性系下就不會發生改變。

也就是說，你在飛機上測量的光速，跟我在腳踏車上測量的光速應該是一樣的，這就是光速不變原理，只要電磁學定律在慣性系下保持不變，只要狹義相對性原理正確，那光速相對於慣性系就恆定。至於非慣性系，愛因斯坦這時還沒有考慮，因為在非慣性系下，物理定律就就發生改變，至於對光有怎樣的影響，這些廣義相對論需要考慮的範疇。

其次，邁克爾遜-莫雷實驗也證偽了以太的存在，沒有絕對靜止的參考系，麥克斯韋方程組也預示著光速不變，因此愛因斯坦才大膽的將光速不變作為了一條公理假設。

愛因斯坦發現，在牛頓力學當中，把光速看作一個隨著參考系變化而變化的量，那麼空間和時間就是絕對的，但是當你把光速看作恆定不變，也就是光速時絕對的，那麼空間和時間將是相對的，根據光速不變原理，很快愛因斯坦就 發現了一個不同於牛頓的世界觀。

這就是我們下個影片的內容。

最後我們回答，為何光速恆定不變？

其實上節課，我們在結尾已經表明了這樣一個觀點，光速不變這件事無法被證明，只能被證偽。現在愛因斯坦把它當作了狹義相對論的一條公理假設，更是意味著這條表述不需要證明，也無法證明，但你任何人都可以來證偽。

光速不變，只能由經驗得出，然後根據它推理出一系列的定理，這就是科學研究的一般方法，也是指導整個人類科學發展的公理體系。

如果你非要追問為何光速恆定不變，給出來的回答全是相對論的表述，你又會說，你這不是迴圈論證嗎？其實嚴格來說不是，這是邏輯自洽，先假設光速不變，然後得出一些推論，這些推論又驗證了你的假設是正確的，這說明你的體系邏輯一致，完美自洽。

那這是不是意味著，就不能懷疑光速不變這條假設了？並不是，你完全可以假設光速不恆定，然後根據你這條假設繼續往下推導，得出符合邏輯的推論，並且得到實驗驗證。

那麼你就可以證偽愛因斯坦的相對論。只要你有能力，完全可以這麼做。但是如果你給不出邏輯自洽的推理體系，或者說，你的體系得不到實驗的驗證。

你還在質疑相對論，還在懷疑相對論的基本假設，那科學一般會無視你的質疑，不做任何迴應。

如果你只是單純地想知道為什麼光速恆定不變？科學一般也會對這種問題不予理睬，因為科學本身就不是一個能回到所有為什麼的學科，你只要接受就好。

好了，今天的內容就到這裡。