光速不變其實並非一個簡單的假設

作為愛因斯坦相對論的基本前提的“光速在真空中不隨參照係改變”一直被教科書作為一種假設加以介紹。但實際上，如果我們仔細回顧愛因斯坦提出光速不變的背景會發現那並非是一個簡單的假設，而是在接受了一係列其它的理論的前提下的所得出的必然結論。

首先，1865年麥克斯韋發表了他推導出的電磁波的傳播速度為1/sqrt(εµ)。其中ε和µ分別為介質的介電常數與磁導率，且發現當ε和µ為當時所知的真空中的ε₀和µ₀時由他的公式算出的速度與當時測得的光速非常一致。很顯然，麥克斯韋推導出的光速公式不包含任何參照係的信息。

盡管如此，愛因斯坦仍然需要另一個基本原理來確定真空中的光速不變，那就是狹義相對論的慣性係等價原理，即物理定律在所有的慣性係中都同樣成立，而這一原理其實是對於伽利略關於機械運動在慣性係中的等價性原理的簡單推廣。

但是，以上兩點還不足以提出光速在真空中不隨參照係改變的結論。我們知道淺水波的速度為sqrt(gh)同樣不含有參照係的信息，而且也滿足慣性係等價原理，但卻不是相對於任何慣性係都不變的。這是因為水是一種介質，因此當計算波的相對速度時，還必須將水這一介質相對於參照係的速度考慮進去。這裏介質的因素對於相對速度的影響就凸顯出了Michelson–Morley實驗對於提出光速不隨參照係自身的運動而改變這一結論的重要意義了。1887年Michelson–Morley依據他們通過長期觀測的結果宣布很久以來被認為是空間的基本介質的以太是不存在的，因此沒有實物的空間就是真空。既然 真空中沒有任何諸如以太那樣的介質，麥克斯韋推出的光速公式本身又與參照係無關，且物理定律不會因慣性係（廣義相對論又將此條件推廣至所有參照係）的選擇不同而變化，那麽光速就一定不會隨參照係而變化。

所以，所謂的光速在真空中不隨參照係變化並非簡單的假設！在愛因斯坦那個年代，隻要你承認麥克斯韋推導出的電磁波速度公式是正確的，並承認光是一種電磁波，也承認物理定律不會因為參照係的選擇而改變，而且接受Michelson–Morley有關以太不存在的結論，那麽你必然會得出真空中的光速不隨參照係的選擇而變化的結論！從這個意義上說，當初愛因斯坦給出的真空中的光速不隨參照係變化的前提更像是一個綜合性的結論而不是一個簡單的假設！

由此我們也可以看出為什麽當科學家們聲稱真空並非什麽都沒有而是存在著能量的時候，很快就有人出來挑戰愛因斯坦的相對論。這是因為真空中並非什麽都沒有的說法很容易引起人們對於Michelson-Morley的實驗結論的挑戰，而一旦Michelson-Morley的實驗結論受到挑戰，作為愛因斯坦的相對論的基本前提的光速在真空中不隨參照係的選擇而變化的說法就會受到挑戰。而挑戰一旦發生，就很自然地出現了要全麵檢驗當初被認為是證明相對論正確的實驗分析的論調。

除此之外，今天“真空中的光速不變”又在很大程度上確實成為了一種假設。這是因為，今天全世界的人們被告知的光速（也就是你上網能查到的光速）不是測出來的，而是定義出來的（感興趣的讀者可去觀看這個視頻：https://youtu.be/V7PU1WN9jWY），這種定義光速大小的做法可能也是讓很多不願看到科學基礎中有太多人為定義的人感到不舒服的一個原因。

其實，如我之前在“狹義相對論需要修正嗎？---一個可以被研究生用作論文的題目”一文中指出的，狹義相對論確實存在著一個缺陷，不過不是光速不變的前提（除非有人最後證明光速確實隨參照係而變），而是由於它缺乏對於光的波動性的反映而引出的所謂光子不會經曆時間的結論。因此，我建議不要直接使用麥克斯韋的光速結果，而是借助類似思路，將光的波動特性反映在狹義相對論中以糾正所謂的光子不會經曆時間的結論。這是因為沒有時間哪裏來波動？所以光的波動性決定了光子一定會經曆時間，相應地狹義相對論的光子不經曆時間的結論就一定是不對的。。。。。。

 

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[慕容青草]

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