为什么光速不变？

光速到底为什么不变？~

1、所谓“光速不变”，它是指对于任何参考系而言，真空中的光速是不变的。
2、这种说法的起因是，牛顿时代的速度叠加原理告诉我们：假设一辆火车速度为V1，车上人走的速度为V2，那么人相对地面的速度就是V=V1+V2。于是有人提出，在飞行的火箭上射出一束光，那么这束光的速度就能超越光速了。
3、但是爱因斯坦考虑了时间和空间的相对性后，根据洛伦茨变换推出相对论下的速度叠加公式为：V=（V1+V2)/（1+V1V2/C^2），通过上式可以看出，不管参考系以什么速度运动（当然参考系的速度不能大于光速，这违背相对论），光的速度还是C，不变。假设火箭的速度是0.6倍光速（即0.6C），火箭射出的光束速度是C，代入上式，速度叠加后光束的速度还是C。
这就是为什么光速不变。
4、你说的空中、水中、玻璃中光速改变，那就涉及到另外一个问题了。光在真空中速度最快，为什么在介质中速度降低？因为光是电磁波，它是由相互振荡的电场和磁场构成，电磁波在真空中无任何影响下，速度最快。但电磁波在介质中时，受到介质的介电常数和磁导率的影响，电场和磁场振荡频率会发生变化，因此光的速度就相应发生变化。
电磁波在介质中的传播速度公式为v=1/（√εμ）。

先有了麦克斯韦方程组。爱因斯坦觉得，任何物理规律在不同的惯性系中应该是平权的，没有一个特殊的“静止的惯性系”（相对性原理）。那么，物理定律在坐标系变换下应保持形式不变。但是大家发现，麦克斯韦方程组在原有的伽利略变换下并不满足相对性原理，而是在洛伦兹变换下满足。其实很简单，光速不变的原因就是任何惯性系下物理规律不变，而麦克斯韦方程组就是一种“物理规律”。 假设我们在S(就地面好了)系下解麦克斯韦方程组，得到波动方程，很容易算得c=(ε0μ0)^(-1/2)。然后我们现在换作S'惯性系下(相对地面做匀速直线运动的参考系)，再解波动方程，会发现波速没有任何变化。因为电磁波是互相自激发的，E和H的传播并不需要介质。波动方程在新的惯性系S'下的解并没有任何区别，波速自然也不变。也就是说理论上只要承认(1)麦克斯韦方程组 (2)相对性原理(任何惯性系下物理规律的形式不变)，那么并不需要“光速不变原理”作为一个基本的假设。 但是然而我们现在所学狭义相对论两假设都是(1)光速不变原理(2)惯性系平权，这其实是一个历史遗留问题。爱因斯坦在建立狭义相对论的时候想要从两个公理出发推出整个体系，但是他的物理直觉告诉他，这应该是一个非常非常基本的物理问题。从物理本质上来说，他认为麦克斯韦方程组只是物理大厦的一个角落(电磁学)的具体方程，不应该作为物理基本规律(相对论)的前提和假设。自然他选择了看上去更加本质的“光速不变原理”作为他得到狭义相对论的两个基本假设之一，并且获得了巨大的成功。

光速不变是实验得出的结果，虽然这违背人的直觉，但它是自然界逻辑简单性原则的一种结果。我们可以在实验结果的基础上反过来解释光速不变。
我们先了解一下相对论里为什么“速度越快时间越慢”。下面一步一步来进行解释：
能量是什么？能量是一个间接观察的物理量，被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。功被定义为力在物体沿力的方向发生位移的空间积累效应，并且等于力与在力的方向上通过的位移的乘积。
在地球上你将1千克的物体举高2米和将2千克的物体举高1米所做的功是一样的。势能变化△E=Fs
本文中各个字母所代表的含义：E—能量 F—力 s—距离 m—质量 a-加速度 v—速度 t—时间 c—光速
能量的一个表达式是力和位移的乘积，力是质量和加速度的乘积，加速度又是速度变化量和时间的比值，而速度又是位移和时间的比值。F=ma a=△v/t v=s/t
假设一开始绝对能量和绝对速度为零，现在速度为v，则（主要用于概念上的理解）：
E=(ms/t^2)s=m(s/t)^2
宇宙中光的速度保持不变（我们先假设光速不变这一实验结果是正确的），任何物体相对于光都在做光速运动。
人们习惯站在自身的角度来评判其它事物的速度，当你不再将光速看成是一种速度时，你也就不难理解为什么E=mc^2（质能关系式）。（前面提到E=m(s/t)^2）
s=vt,当速度不变（保持光速），距离变长，时间的数又是相同时，就会导致时间膨胀（时间变慢）。
另一方面，物体的质量引起空间弯曲，使得周围物体产生加速度现象，表现出时间膨胀（时间变慢）。
在运动中，速度越快时间越慢；在引力场中时间越慢速度越快。这也许就像程度心理学中的程度和逻辑相互结合互相关联那样，运动和时间（时间是逻辑的量子化）不能分开表述，它们是相互结合互相关联的。
下面我们来理解空间、时间和物质的关系：
空间和时间是物质运动的存在形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质。
速度和时间是相互结合互相关联的。速度不变，时间变慢，体现物质的空间性。时间不变，速度变快，体现物质的时间性。光速不变体现了物质的空间性，引力现象体现了物质的时间性。就像粒子的波粒二象性那样，通过不同的观察方式，你会发现物质有时体现波动性，有时体现粒子性。
我们分别从物质的各个方面来观察。“速度不变，时间变慢，体现物质的空间性”，但如果时间慢到静止，也就没必要谈速度。“时间不变，速度变快，体现物质的时间性”，当速度达到瞬移时，是否同样无需谈时间。这些与程度和逻辑的相互结合相矛盾。
宇宙中程度和逻辑是相互结合互相关联的，因为这更加符合自然界的逻辑简单性原则。无论从量子力学中粒子的波粒二象性（粒子的速度和最终位置的结合），还是波粒二象性导致世界量子化（既需要有程度又需要有逻辑），又或者是广义相对论中质量和空间度规的结合，似乎都符合程度和逻辑相互结合这一规律。
程度和逻辑的结合导致了宇宙中时间无法静止（我仿佛听到了心碎的声音），物质无法瞬移。
也许你会有疑问，为什么光速不变现象和引力现象看到的都是速度变快呢。那是由于人自身作为时间性（粒子性）的存在来观察周围事物，看到的结果都是时间不变，速度变快。（无论是运动速度还是衰老速度，都是间接的去观察时间变化）。同时不难发现，引力现象是物质时间性的产物。
或许你对“光速不变体现了物质的空间性”依然不太理解，不妨再来看一下：宇宙中程度和逻辑是相互结合互相关联的，粒子的波粒二象性导致了世界量子化（既需要有程度又需要有逻辑），光速不变代表了微观粒子的大小在任何时刻都是不变的，因而光速不变是有利于宇宙和平的（啊，错了，是有利于宇宙稳定）。
最后，那么是如何实现在运动中速度不变距离变长（光速不变）这一直觉矛盾的？
宇宙中程度和逻辑是相互结合互相关联的。1.速度和时间是相互结合互相关联的，它们不能分开表述。2.同样的，空间和时间是物质运动的存在形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质。3.对于物质来说，光速不变是通过“速度不变，时间变慢”这一面来实现的。之所以认为光速不变违背人的直觉，是由于我们习惯性认为时空是平坦的，而实际上“同时”是相对的。
纯粹速度和速度的对比（不牵扯到粒子性），就出现了速度不变（光速不变）；纯粹粒子和粒子的对比（时间性的对比），就出现了引力现象（空间度规的变化）。这样解释可能不容易被接受，我们还可以换另外一种描述方式：
1.自然规律的内在往往是简单的，复杂的自然现象背后蕴含着的却是简单的规则。人们脑海中在刻录所理解的自然现象时会不自觉的设定一些限制条件。
2.去掉参考系（逻辑化）这个限制条件，只是进行程度化描述，就是光速不变（相对任何参考系速度不变，而不是绝对速度不变）。
3.（一切物理定律必须与坐标系的选择无关，相对论本身也是研究时空下的不变性。）
去掉（程度化）这个限制条件，将它归化到（逻辑化）描述上，就是万有引力。
光速不变是自然界逻辑简单性原则的一种结果。

关于这个光速不变的问题，它有两个原因

第一个原因，它是根据麦克斯韦的方程组光束必须不变，否则的话这个麦克斯韦的方程组就错了！

第二个原因，它是我们人类已经观测到的一个客观事实，迄今为止，我们并没有发现任何超过光速的东西，所以，以爱因斯坦为首的这些科学家们只能把它当做一个公理接受下来。要理解光速不变原理。首先要有抛弃固有的思维模式的思想准备，否则不容易理解。因为爱因斯坦这个理论有点离经叛道。

我们都知道，描叙一个运动，必须有参考系才有意义。说一列火车时速100公里，是相对地面这个参考系。如果测量者跟着火车跑，测得的火车相对速度会小于时速100公里。如果测量者是迎面过来，测得的火车相对速度就会大于时速100公里。这是一个经典力学中很基础的运动观，也切合我们的生活经验，十分容易理解。

把地球想象成一个大型游戏地图，我们通过实验测出来的光速并不是真正的光速，光速实际上是无穷大。那不变的光速到底是什么呢？是宇宙这个计算机在加载刷新地球这个大地图的速度。就好像游戏一样，当我们尝试测量光速的时候，宇宙计算机就以这个人为中心，向周围加载刷新地球大地图，这个刷新加载速度就是光速。因此，不管你如何做实验，宇宙计算机加载刷新处理地图的速度都是有上限的，这个上限就是所谓的光速，实际上光速是无穷大。光其实是瞬间即达，只是地图的加载速度导致光速延迟到达，让我们误以为是光速有极限。

在地面上测光速，各个方向不变。而地球是绕太阳公转的，所以如以太阳为参照系来计算地面上的光速，则光速是改变的，这说明光是叠加了地球的速度，而这个速度是以太给予的，也说明了地面上以太与地球是同步运动的。

光速不变是实验得出的结果，虽然这违背人的直觉，但它是自然界逻辑简单性原则的一种结果。我们可以在实验结果的基础上反过来解释光速不变。
我们先了解一下相对论里为什么“速度越快时间越慢”。下面一步一步来进行解释：
能量是什么？能量是一个间接观察的物理量，被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。功被定义为力在物体沿力的方向发生位移的空间积累效应，并且等于力与在力的方向上通过的位移的乘积。
在地球上你将1千克的物体举高2米和将2千克的物体举高1米所做的功是一样的。势能变化△E=Fs
本文中各个字母所代表的含义：E—能量 F—力 s—距离 m—质量 a-加速度 v—速度 t—时间 c—光速
能量的一个表达式是力和位移的乘积，力是质量和加速度的乘积，加速度又是速度变化量和时间的比值，而速度又是位移和时间的比值。F=ma a=△v/t v=s/t

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万宁市19750351432： 光速不变原理(物理原理) - 搜狗百科？
项绿心律： 关于这个光速不变的问题,它有两个原因 第一个原因,它是根据麦克斯韦的方程组光束必须不变,否则的话这个麦克斯韦的方程组就错了!第二个原因,它是我们人类已经观测到的一个客观事实,迄今为止,我们并没有发现任何超过光速的东西...

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万宁市19750351432： 光速为什么不变 - ？
项绿心律： 你说的有一定道理,但光速不变的定律是通过迈克尔逊的实验得出的,跟火车行进时在列车中间放一枪,声音传到两头的速度不同不是一个现象.当时无法解释,所以才作出了以太充满宇宙的假设,否则就要认为地球是不动的!假定的以太是一种在质量上等于0,而其刚度则是∝的物质!所以爱因斯坦的狭义相对论,就是以光速不变为先决条件推证出来的.从而也才得出了看似不可理解的时间、质量及长度会随运动速度而改变的轰动世界的伟大结论.因此关于光速为什么不变,到现在还是个谜题,科学家是把它当作公理来使用的.就像几何学中两条平行直线任意延长永远不会相交一样的“不能证明,只能认可”.佩服你寻求真知的心志和勇气!

万宁市19750351432： 为什么光速是不变的? - ？
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万宁市19750351432： 怎么理解光速不变原理啊?爱因斯坦有没有解释清楚为什么光速不变啊? - ？
项绿心律：[答案] 光速不变原理:无论在何种惯性参照系中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,c=299792458m/s. 光速不变原理是狭义相对论的核心,讨论相对论的时候就确定光速不变,如果它不成立,相对论就塌了.

万宁市19750351432： 光速到底为什么不变? - ？
项绿心律： 1、所谓“光速不变”,它是指对于任何参考系而言,真空中的光速是不变的.2、这种说法的起因是,牛顿时代的速度叠加原理告诉我们:假设一辆火车速度为V1,车上人走的速度为V2,那么人相对地面的速度就是V=V1+V2.于是有人提出,...