光速不变原理(为什么会有光速不变的定理)

光速不变原理，为什么会有光速不变的定理？

真空光速不变是相对论的一个基本假设，也是目前物理学最优的选择，无法被实验直接证明。为了说明这个解读，我们需要一起来回顾一下物理学中的基本概念。

一、什么是速度？

估计很多小伙伴看到这个问题都会忍不住发笑吧，这么简单的问题，小学生都会，物体移动的距离与通过这段距离所消耗的时间的比值就是速度。比如百米测试的时候，发令枪一响，秒表就开始计时，当冲过终点线的时候按下秒表，记录下一个时间间隔，用100米除以这个时间，得到的就是百米的平均速度。

在这个测量的过程中其实隐含着如下的基本假设：存在着一个长100米的跑道，其长度永恒不变，并且跑道是静止的；其次，计时开始与计时结束，秒表可以与发令枪和运动员冲线动作同步。

这样的假定，在100米比赛中当然不会有任何问题，赛道尽管在随着地球转动，但我们也可以把它看做相对大地是静止的，长度不会发生变化，时间同步当然也不是问题，即使有误差也可以通过多人同时测量求平均值来减小误差。

可是这样的假定在测量光速的时候就不行，这是因为光速的运动实在是太快了，只要1秒钟几乎就能绕地球赤道转4圈。在地球表面，我们找不到一条足够长适合测量光速的跑道，还有足够精确的计时器。

第一个思考光可能是以有限速度运动的人是伽利略，他采用的测量光速的方法跟测量运动员的百米速度方式一样，在两个山头之间进行测量。可惜这种办法跑道不够长，同时他的钟表计时也太粗糙，所以什么结果都没得到。

二、人类第一次测量光速

从前面对速度的测量方法我们可以看出来，要想精确测量光速，需要有两个必备的条件，第一是足够长的跑道，第二是精确的记录光通过这段距离的时间。既然地面上没有适合的条件，科学家们就把目光放到了太空。

伽利略于1610年1月发现的的四个木星卫星中，木卫一最靠近木星。罗默与卡西尼称它为“木星的第一颗卫星”。木卫一每42½小时绕木星公转一次，它的轨道平面与木星绕太阳的轨道平面非常接近，因此，它一部分轨道是在太阳照射木星的阴影里，每一次公转都会出现行星掩星，称此现象为“木卫一蚀”。

丹麦天文学者奥勒·罗默于1676年从测量实验发现光波以有限速度传播。罗默那时就职于巴黎天文台。他通过观察地球和木星在不同距离时，在地面观测木卫一蚀的时间延迟，推测出光速大约等于220,000公里每秒，比现在科学界公认的光速数值低了26%。

之所以罗默得到的光速值与344年后的公认值差距很大，其主要原因是，当时的观测条件比较差，天文学家对木星及其卫星的测量定位，对地球的定位还不够精确，计时器也不够准确造成的。

简单总结，罗默就是利用地球距离木星近木卫一蚀延迟就短，地球距离木星远则木卫一蚀延迟就长，来证明光以有限速度传播，并尝试通过这种现象来计算光速。但毫无疑问的是，罗默的测量方法，无疑是正确的方法，如果能精确测定，不会产生任何争议。

三、视差与光行差

尽管罗默计算出了光速的数量级，并第一次给出了比较接近的数值，但纵观其整个测试过程，只能说明光以有限速度传播，并不能说明光是以恒定的速度传播。换句话说，就是还不能证明光速是不变的。

这里面的原因其实很简单，测量的样本数量不够。只有一个木卫一蚀的观测结果，而且相对于光速来说，距离还是太近了，不能证明在整个宇宙中光速都是不变的。还好在罗默提出的光速值大约50年以后，新的现象被发现了，为光速不变增加了比较坚实的证据，这就是光行差。

为了说明什么是光行差，需要先解释一下什么是视差。其实所谓的视差，就是近大远小的视觉效果，我们看到的地面上物体就是这样的。把这个道理推广到宇宙也是如此，距离地球近的天体比较大，距离地球远的天体，就会比较小。

由于大多数恒星都距离我们比较远，所以，想利用视差看出天体的变化很不容易，但随着当时天文望远镜的普及，很多天文学家声称自己观察到了恒星的视差变化，不过最后根据分析，这些宣称基本上是设备毛病或者是视觉误差。

不过有个现象引起了英国天文学家詹姆斯·布拉德利的注意，有天文学家发现有些恒星在原有位置上会发生微小的位置移动，比如北极星，大约每年有40角秒的周期性位置变化；天棓四十月份比7月份要偏北23角秒多一些。

恒星的这种位置移动无法用视差来解释，因为视差是在投影方向产生的，而这种移动是垂直于投影方向的运动。

詹姆斯·布拉德利也考虑了好多种不同的可能性。比如，他曾经考虑过是否是地球的章动引起了相关效应。但是通过对别的星体的观察，发现轨迹不对，这个道理讲不通。

最后，据传说，James Bradley泛舟泰晤士河，看见船掉方向时时，旗帜随风换向，同时又叠加了船的速度，受此启发，而解释了这一新的结果，即所谓光行差。

按照伽利略的速度叠加原理，在知道地球绕太阳旋转的速度的情况下，很容易估算出光速。这个结果按照现代的单位制换算，是301，000，000m/s。

我们注意一下这个光速的测量过程，按照现在知道的天培四与地球的距离147.59光年来看，这相当于选择了一个更长的跑道，还有就是测量时间间隔为3个月左右，以当时的技术条件，相当于提高了时间的测量精度。

不过，这仍然只能说，光在这么长的距离中平均速度大约是某一个恒定值。还是那个道理，测量光速的样本数太少。测量一颗恒星的光行差得到的光速无法说明普遍性问题。

尽管如此，这次测量仍然具有代表性意义，这是因为，天棓四只是漫天星空中的随意一颗，这样的论证过程不是先给出结果再用它来证明，而是先发现天培四的移动再总结规律。随着时间的推移，更多恒星的光行差现象被发现，证明了詹姆斯·布拉德利的解释是正确的。

我曾经以光行差为基础写过一篇《每一张星空照片都能证明光速不变，爱因斯坦的相对论是正确的》用反证法证明了真空光速不变原理。有兴趣的小伙伴可以翻出来看一下。

四、光速的近代测量

在罗默测量光速200年之后，第一个把光速测量精度大幅提高的人是美国物理学家迈克耳孙。1877到1879年，迈克耳孙改进了傅科发明的旋转镜，示意图如下：

迈克耳孙在相隔较远的两处分别放置八面镜M1和反射装置M2M3，让一束光从八面镜中的某个面反射，经过反射后通过M2和M3反射回八面镜，并从另一个面反射后进入观察目镜。只有在如图所示的位置时，观察目镜处才会有光。如果八面镜转动一点，经过界面1反射的光就无法照射到M2，观察目镜上就看不到光了。

如果让八面镜旋转起来，并且角速度逐渐增大，会发现在某个时刻又可以从观察目镜中看到光了。这是因为当某时刻界面1刚好倾斜45度角时，光线经过界面1反射到达M2，再返回八面镜时，八面镜刚好转动一格（八分之一周期），于是界面2刚好跑到图中3的位置，将光线反射进入观察目镜。由于视觉暂留现象，观察目镜中一直可以看到光。

假设左右两套装置相距为L，当八面镜转动周期为T时可以从观察镜中看到光，由于L远远大于其它部分的长度，所以光从界面1反射到左侧，再回到右侧八面镜走过的距离为S=2L。

根据刚才的分析，光来回运动一次，八面镜刚好走过1格，时间t=T/8，因此光的速度为

v=S/t=(2L)/(T/8)=16L/T

根据这个原理，迈克耳孙得到了光的速度为299853±60 km/s，与我们今天测量的更加精确的值非常接近。

进一步分析迈克尔逊测量光速的装置，不难发现，其最大的问题不是精度问题，而是仪器测量的光速是折返光速。这样的测量方法不是单程光速测量，证据略显不够充分。

但我们现在已经知道，这种方法已经是当时能够采用的最好方法了，因为在测量光速的过程中无法同步两地的时钟。如果未来能解决异地时钟同步的问题，才能彻底解决光速测量的疑难。

现在，人们使用更加精确的方法得到光在真空中的速度为299792458m/s，并且利用光速来定义“米”的概念。1米就等于光在真空中传播299792458分之一秒内传播的距离。

结束语

从前面我们的介绍可以看出，尽管真空光速不变是爱因斯坦提出的一种假设，但这个原理经过了200多年的观测和验证，并不是爱因斯坦拍脑门做出的结论。由于光速的特殊性，目前仍然没有更好的办法做进一步的验证。尽管当下所有的测量事实都支持真空光速不变假设，但所有试验都存在折返测速问题，不是严格意义上的单程光速测量。

不过，这正是科学的魅力不是吗？如果谁能给出更精妙的单程光速测量方法，尽管没有直接提出新理论，仍然会在很大程度上，提高人类对于宇宙、时空的理解。

你会是那个人吗？看好你呦！

相对性原理和光速不变原理是什么？

就是爱因斯坦的相对论，里头在宏观低速的物质中。物质产生的力量是不变的

从宇宙形成之初就是这个值吗？

你可以理解其是某种架构的分形速率或频率。在这种架构下，光速就只能是那个值！这个架构在物理上表现为某些常数。因为如此常数，所以光速如此速率。

因此，决定光速的不是其本身，而是那个架构！但是架构不是不变的，就如气压改变水的沸点改变一个道理，如果架构改变了，光速就必然变化。

我们所在的维度有多重架构，这意味着我们的维度中，某些地方宇宙常数可能略有不同，已经有科学家处于发现的边缘但是他不敢相信。当这一点被确认的时候——光速必须是可变的，才能解释某些大尺度上的天文观测现象。

前面提到的分形频率也意味着时间脉动频率，因此那些宇宙常数不一样的地方，时间频率也不一样。狭义相对论把光速作为时间标尺，那么反过来呢，如果时间频率被改变了，光速就一定改变！

将来人们有能力改变时间频率，一个场景:在一个安全的局部范围内，一个局域性的时间改变导致光在你面前慢慢爬行！

康普顿效应中光子撞击电子为什么速度不变？

根据爱因斯坦的相对论中提的观点，光子的速度是不变。因为：

根据方程式：动量等于普朗克常量除以波长。对于光E=CP,光速不变，能量变小动量变小。

由此可见，光速不变，而是光子动量变，光子动量变并不意味着速度变，光子动量变是因为频率和波长变了。

还是仅仅是以光速不变论为依据的一种推理？

有实验依据的。著名的就是gps的应用。可以看看下面的文章，你就会懂了。

导读：本文摘自独立学者灵遁者物理宇宙科普书籍《变化》。旨在帮助大家了解物理宇宙科普知识。我对你们的爱，就是要告诉你们：时间是存在的！

关于时间的度量和方向的说明

现在还有很多人，认为时间不存在，这个错误的认识开始于什么时候，我们无从追究了。因为时间一旦开始，过去就已经成为过去，这是它不能追究的原因。这句话的物理表述，要复杂的多，但我会尽力让大家明白，为什么时间是存在的？而且是必须存在的。

读过我物理科普书籍《变化》第三十五章的朋友，肯定知道，我已经就时间问题，表达过观点。写了题为《时间的本质说明》一文。

很多朋友回复我，写的还不够具体，明白，所以又补增这一章内容，来阐述我对时间的思考。希望可以解答你们的疑惑。

时间是客观存在的，这是一个事实。我写过题为“时间，空间，物质的一体性说明！”的文章。其实就是承认了时间客观存在。在“时间，空间，物质的一体性说明！”的文章结尾我写道：“在这里我们要把时间拿出来说了，而说到时间，就要把运动拿出来说了。但运动是物质的运动，时间和运动分不开，就意味着时间和物质分不开。离开时间谈物质，物质是没有变化的！”

所以认同时间存在的人，会说：“时间是事物连续变化的说明。”

灵遁者物理宇宙科普书籍《变化》在灵遁者淘宝有。

时间，空间和物质是一体的，它们共同构成时空。时空是能量的时空，是运动的时空。从开始，时间就不能从运动变化中脱离出来，也就是时间不能从时空中单独脱离出来说明。

任何脱离时空，脱离运动的时间描述都是片面的。了解时间的本质，就要了解时空。这一方面理论，我们要感谢爱氏的相对论。

不存在的东西就证明它不存在，存在的东西就证明它存在，这是我们人类的责任。就像引力波，等了那么久，我们终于证实它是存在的。你不理解的东西，不一定不存在！时间就是这样的东西，虽然它很抽象，但还可以想象。

那么我们从正面如何证实时间是存在的，且时间是时空不可分的东西。

这里引用一个已知的事实，关于GPS时间与地球上时间的不同。

“这就是爱氏的想对时空理论，他不仅仅将物质和空间看做一体，把时间也纳入到这一体系中。GPS卫星以每小时14000千米的速度绕地球飞行。根据狭义相对论，当物体运动时，时间会变慢，运动速度越快，时间就越慢。因此在地球上看GPS卫星，它们携带的时钟要走得比较慢，用狭义相对论的公式可以计算出，每天慢大约7微秒。

GPS卫星位于距离地面大约2万千米的太空中。根据广义相对论，物质质量的存在会造成时空的弯曲，质量越大，距离越近，就弯曲得越厉害，时间则会越慢。受地球质量的影响，在地球表面的时空要比GPS卫星所在的时空更加弯曲，这样，从地球上看，GPS卫星上的时钟就要走得比较快，用广义相对论的公式可以计算出，每天快大约45微秒。

在同时考虑了狭义相对论和广义相对论后，GPS卫星时钟每天还要快上大约38微秒。”

如果我们赞同爱氏相对论是正确的，就要赞同运动对于时间的影响。由爱氏理论我们可以知道：时间流逝的速度取决于物体在宇宙中的位置以及运动速度。

对于时间的一般定义是这样的：物质存在的一种客观形式，由过去现在将来构成的连绵不断的系统；是物质的运动变化的持续性和连续性的表现。

这样的的定义并没有错，但对于专业研究物理和天文的人来说，还不够究竟，不够本质。

所以我把时间的定义修正为：时间是物质在引力场中的位置以及运动速度的应变度量过程；它是物质存在的客观形式。

进一步的阐述说明是，时间的这种“应变度量过程”就是物质的运动变化的持续性和连续性的表现。在这里要说明“应变”这个词，指的是主体时间受“引力场位置”和“运动速度”影响而做出的应变量。

这种应变是不以人的意志为转移的，它是客观的。

网上还有很多标题为“相对论证明时间不存在”的文章。拿出爱因斯坦的话：“现在、过去和将来之间的差别只是一种错觉。时间倒流或回到过去，其实是建立在一个不存在的逻辑基础上的。”

相对论本身就是时空理论，怎么可能没有时间在里面，所以这是无稽之谈的文章。至于如何理解爱氏所说的话：“现在、过去和将来之间的差别只是一种错觉。”

这是从意识层面来说的，爱氏的本意应该是要强调时间是没有方向的！所以现在，过去，未来才是人的创造，是为了描述生活而创造的。也就是说时间一直向前的这个方向，其实是不存在。这个方向是人为赋予的。

从这点来说，时间是个标量的认定是对的。只有大小，没有方向。

可是为什么感觉时间是向前的？为什么时间是不会停止的？

时间不会停止的原因是时空，时空存在，时间就存在！别忘了时间是组成时空的一个维度！更别忘了能量守恒定律！这些都指明了时间是一个永恒的存在！

现在来说时间为什么总是向前的？“前”才是个经验性的字！哪里是前，哪里是后。都要有参考。你看着的方向是前，你后脑勺的方向是后，这是我们的经验。

上面的关于时间的定义，已经说明了，时间是一种的“应变度量过程。” 一个事件从开始到结束，成为过去时。这时我们说现在是新的开始。时间是前进的！这其实是经验性的。

一个人赛跑，刚跑完100米，他刚才跑完的100米，成为过去。可是他现在还在跑第二个项目，他的运动过程没有停止。直到他又开始第三项赛跑时候，我们说他前两个项目成为过去时。你会发现一件事情的开始和结束都是人为的。但这种“人为”的时间观念是正确的，却不是真理的！真理上的时间的箭头是没有的。我们不能将一个个事件“应变度量过程”人为的区别它必须的方向！是没有未来这个方向的，但未来是存在的！

我不知道我这样来说，大家能否理解。再举一个例子，有一个电影叫《返老还童》，拍的非常不错。关于的时间的探索和疑问在电影中其实发挥到淋漓尽致了。

我们是从小到老，可电影中的主人公是从老到小。那么我们说希望慢慢长大，就是期待未来。可是电影中的主人公期待慢慢变小，也是期待未来。所以从小到老是时间是一直向前？还是从老到小，时间是一直向前？

所以说一块石头不会有时间的前后感知，人会有！把人的思想从人的脑海中拿出去确实很困难，但只有这样，你才能客观认识时间是什么。

关于对时间的本质认识，我也非常赞同人们要“珍惜现在”，也鼓励珍惜当下的时间进程，因为你就在其中。

再来读一遍我对于时间的定义：时间是能量物质在引力场中的位置以及运动速度的应变度量过程；它是物质存在的客观形式。

两个关键词：位置，运动速度。

时空是弯曲的，时空也是引力的本源。能量的分布，物质的分布不均，使得引力场强弱有差异。时间在不同的引力场中是不同的。地球和月球上时间不同，地球和太阳上时间不同。甚至地球上不同位置时间也不同。

我住在一楼，你住在33楼，我们的时间不同。这不是荒谬，是事实。只是这种区别太过于微小，我们根本无法察觉。上面关于GPS的校准案例，其实就是答案！

所以你脑海中要有这样的一副图画，那就是时间是弯曲的！这种弯曲是由于时空弯曲，引力场不均导致的。形象的举例来说，时间的弯曲图画，就像一副丘陵高山的等高线图。如下图

所以这更加印证了时间是没有方向的。物体处于等高线不同的位置，时间流逝是不同的。

从这张图我们也可以得出其实时间与时间是没有明显的间隔点，没有明显的间隙！更没有明显的界限！

在这里还可以回答一个被多次提问的问题：时间有起点吗？