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原创趣谈科学2020-08-26 23:50:27

如果现在有有利的证据证明光速并非是恒定不变的，光速是相对的，那么科学会倒退回三四百年前，回到牛顿，甚至是伽利略之前。光速是人类对时间、空间、信息、能量理解的一把钥匙，这把钥匙的特殊性就是光速绝对的。

麦克斯韦放出大瓜

19世纪，麦克斯韦创造了继牛顿之后又一神作，统一了电磁学，他用简单又漂亮的四个方程描述了所有电与磁的现象，何为电磁？变化的电会生磁，变化的磁会生电，然后它们就相互相生到永远，这个东西就称为电磁波，可见光属于电磁波。

电磁波的一切，方程皆可解，一解不要紧，竟然出现了一个大瓜：电磁波的波速竟然是个常数，只与两个常数（介电常数和磁常数）有关，就是下面这样。

为何这是个大瓜？你可以仔细回忆一下，一般情况我们求速度，要么会有时间、路程，要么会有速度A、速度B、加速度，一顿加减乘除，然后得到另一个速度。在这两种情况中，路程其实就代表着相对（马路、空间中的两点等等）运动，要不就是相对于A人（速度A），或者B车（速度B），总之就是伽利略告诉我们的速度都是相对的，就像我在火星上看地球躺在床的你速度很快，不是你快而是地球公转速度快，所以你看起来快。而相对于你妈，她会认为你瘫在床上一动不动，视角不同，速度就不同。理解了这点，大瓜就出来了。

问：光速是相对于谁的？

你会发现光速没有以上那些参照条件，只有电与磁在空间中的性质，真空光速299792458m/s。科学家一看这是新题型呀，不会做怎么办？科学的方法先假设（猜），然后实验论证，实际上能猜的方向并不多，靠谱的只有两个。

最容易想到的是光源，比如手电筒一按按钮，光相对于手电筒以光速飞出。这个方案很快就被打脸，最简单的例子就是宇宙中现成的双星系统，两颗恒星互相旋转（星光）跳跃，我不停歇！

假设两颗恒星速度为u，那么A星走到离我们最近的点时速度为（c+u），B星离我们最远的时候远去的速度是（c-u）。当双星系统离我们足够远，即使u不是很大，不同星光到达地球会出现滞后，由于太过遥远双星系统会呈现模糊的一团光，然而科学家对着天空一顿找，发现所有的双星系统都不管距离多远都是清清楚楚的两颗星。光速相对于光源就被pass了，那么答案会是另外一个吗？要是那么简单就不是瓜了，也没爱因斯坦什么事。

波必须有介质吗？

一说到波，我们最先能想到的就是水波，科学家也是这么想的，这就是第二条路子。我们思考两件事，蜻蜓点水会泛起涟漪，由中心逐渐向外扩散，水面是上下起伏振动，层层把波传递出去，就像潮起潮落，并非是太平洋中心的海水，横跨半个太平洋，就为了跑过来拍在沙滩上。被拍在沙滩上的水，只是沙滩边上被“挤”出来的水。水对于水波来说只是传输的介质，并非传播的物质，实际上波传播的是潮汐能，介质只是在上下振动。

再说例子，你在操场对面，冲着我喊一嗓子，我接收到了你的信息，这是声波通过空气振动传播，而非你一嗓子把你那边的空气吹到我这边来，空气本身并不会因为声波而移动，它也只是介质。

于是，科学家想当然认为光波传递必然有介质。传播的介质先叫“以太”（源于古希腊哲学家亚里士多德，这里不赘述了），以太就是光波的参照物。

我们能看见满天星光，因此以太应该充斥着整个宇宙。以太密度也应该很低，因为我们根本感觉不到它，也应该很硬，因为光速很快，越硬的介质传播速度越快，就像声音水中快，空气慢。很显然，这两者是相矛盾的。

以太会摧毁400年物理学

还有一个非常大的问题，如果以太充斥在整个宇宙中，与空间平权，那么以太不就处于绝对静止状态了。换句话说：一切事物只要相对于以太静止就是绝对静止。如果是这样的话，物理学从伽利略开始就崩盘了。

匀速直线运动的船上有个房间没有窗户，岸边也有相同的房间。你一觉醒来发现自己在这样房间中，即使给你一切工具，只要看不到外界，哪怕是朝各个方向扔小球，你也无法辨别自己到底是处于船上，还是岸边的房间中。

再比如：如果没有太阳、月亮、一切星光，你能确信地球在动吗？

伽利略的相对论意思就是静止和匀速是一回事，除非你能感受到外界事物，产生相对性。

回到上面，如果相对于以太静止就是绝对静止，那么静止和匀速运动就不是一回事了。因为你可以在房间内向各处射出几道灯光，如果光相对于以太运动，船也在相对于以太运动，那么光与船就会出现相对速度，一旦发现船中各个方向光速不一，那么就可以证明你在船上，不在岸边房间中，那么伽利略的相对论就废了，后面人类400年的科学发展，从牛顿到杨振宁都废了，诺贝尔奖就是个笑话。

就在大家一筹莫展、还在寻找以太的时候，爱因斯坦跳出来了说：为什么非要给光速找对象，如果光速是绝对的，不需要介质，那么一切问题迎刃而解，而且更多难以解决的问题，也能解决了。

当然，爱因斯坦是有所依据的，那就是迈克尔逊莫雷实验证实了以太不存在，原理和船上开手电筒是一个原理，无论船如何运动，光速始终都是一致的，下面就是实验原理：

爱因斯坦基于光速不变原理发表了《狭义相对论》，质能方程，《广义相对论》，还有《光电效应》开启了量子力学，并且得到了大量实验的验证，更加坚定了光速恒定不变。2012年量子力学才真正正面回答了光速为何不变的原因。

光速不变的真正原因

万物都由比质子、中子更小的粒子构成，例如电子、夸克、胶子等等，物理学称之为基本粒子。

这些粒子之间会产生相互作用，从而形成原子核、原子、分子、物质。用量子场来描述相互作用：物质的一切质量都源于在不同“场”中获得的能量。

一开始科学家认为所有基本粒子是没有质量的，只是因为相互作用才有了组合形态下的整体质量，后来通过质能方程（E=mc^2）计算发现有些粒子的质量与能量不符，并且不是质量少了，而是质量多了。也就是说多余的质量并非来自于相互作用，部分粒子本身具有质量。

2012年，欧洲核子研究中心，发现了质量之源希格斯玻色子，宇宙各处充斥着希格斯场，粒子在场中运动获得了“自身的质量”，而光子并不与希格斯场发生作用。可以说相互作用束缚了粒子，作用的能量越大，产生的质量就越大，例如原子核中胶子与夸克的强相互作用，使夸克占据了原子的主要质量，而电子的电磁作用较弱，因此电子的质量相对于原子核几乎可以忽略不计。而夸克和电子都与希格斯场作用也获得了部分自身质量。

光子不受场的束缚，因此拥有宇宙空间中真空传递能量、信息的最快速度，也是绝对速度，只因它在真空中不受场的赋予它能量（质量）使其减速，也使得光子的静止质量为零，这就是光速恒定不变的原因。

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