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爱因斯坦的“光速不变”怎么理解？

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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

问题补充： 光在介质中不就减速了吗？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

刚接触光学，简单说一下

光的传播满足最小作用量原理（光总是沿着传播时间最短的路径传播），也就是说光程的一阶变分为零，不论在真空还是介质中都满足这条定律。至于要是连费马定律都有人喷，那我只能呵呵了~

但是仔细想想，在真空中两点之间的最短路径是直线，但是在介质中还是直线吗？这里我还不太清楚，我斗胆猜测是由于介质中有质量的粒子的引力作用使得光程在微观状态下走的最短路径不是直线，但放到宏观来看总的路径又像是是一条直线，所以测得的光速在介质中的值小于真空的值（实际上光速没变，只是在介质中走了些弯路看起来就满了一些）

实际上最小作用量原理非常的神奇，它存在于我们生活的各个细节中

所以能不能别天天逮着光速研究啊？

回答于 2019-09-11 08:43:50

为什么很多人觉得光速不变难以理解呢？因为大部分人一开始听到光速不变的时候，总会下意识的根据自己时空观和经验的理解得到一个自己的答案。但其实，我们在说光速不变的时候，常常包含三个不同层面的意思，把这三个不同层面的光速不变都搞懂了，所有的疑惑才能迎刃而解。

三个层面的光速不变

1、光在同一媒介中的传播速度不变

光在不同的媒介中传播速度是不同的（但这并不是说光传播需要它们作为介质，仅仅表达光在他们之中穿过而已，光的传播不需要任何介质），比如在真空中传播的速度最快，在空气、水、玻璃中传播速度要慢一些，但是光在同一媒介中传播速度是不变的，这是由电磁学规律决定的。

我们现在都知道光其实是一种电磁波，那么光必然也遵循麦克斯韦方程组，从麦克斯韦方程组可以很容易的推导出光速（电磁波速度）：

其中 ε是介电常数， μ是磁导率，它们在同一介质中都是固定常数，从这里也可以很容易的看出光在同一介质中的速度是不变的常数，它只和介质中介电常数和磁导率有关。

2、光速不随光源的运动而变化

要理解光速不随光源的运动而变化还是很简单的，其实不光是光这种电磁波，我们普通的水波也是这样。

打过水漂的人应该都有印象：将一块石头在水面上以一个非常小的夹角快速扔出去，在水面上就会形成一连串的水波，而且，所有的水波都是圆形的。这说明了什么？这说明虽然石头在快速的朝前方运动，但是水波的速度并没有改变。如果顺着石头方向的波速大于逆着石头运动方向的波速，那我们看到的水漂形成的水波应该是一个被拉伸的扁的椭圆形，但是我们看到的却是标准圆形，告诉我们水波波源的运动并没有影响波速。

我们可以这么直观的去理解这个事：水波的传播主要是靠水相邻点的振动传出去的，石头在水面上飞行的时候，虽然石头在运动，但是作为介质的水并没有参与到其中的运动里来，所以没影响。那我们再考虑电磁波，电磁波的传播是电场和磁场相互感应产生的，所以电磁波传播的速度其实是电场和磁场相互感应产生的速度，难道光源运动会改变电场产生磁场的速度？这想想也不可能。

所以，光速不随光源的运动而变化其实是很多波的通用性质，大部分人也容易理解，真正难以理解的是下面的一条。

3、真空中的光速不随参考系的变化而变化

这是光速不变最难以理解的地方，也是许多困惑和争议的根源，在这里，光和水波声波这类机械波表现出了本质的不一样。

我还是以水波为例，假设我们在一辆平稳的火车上放了一个水池，一个石头落在水池里产生了一个水波。那么，假设我先以火车为参考系，在火车里面的人看到水波有一个速度，然后我再以地面为参考系，我在路边的人看火车里的水波传播速度，那么这两个速度肯定不一样，我在地面上看到的水波的传播速度肯定是火车的速度加上火车里观察到的水波的速度。

这就说明，在不同的参考系里（火车里面的人和地面上的人）看到的水波的速度是不一样的，就是说水波的速度是随着参考系的变化而变化的。但是，光波不！！！

光就是这么有个性：我在火车（假设在真空中）上发一束光，测得的速度是光速c，我在地面上再测那束光的速度，他还是光速c。你以为你在地面上测的光速会等于火车上的测的光速加上火车的运行速度么？恭喜你，你跟物理学史上最伟大的物理学家之一的牛顿想法一致，但是这是错的，无数的实验无情的否定了这个想法。

而这个光速不变，也就是光速不随参考系的变化而变化，才是作为狭义相对论的根基的那个光速不变。

另一个爱因斯坦

很多人在讲相对论的时候总喜欢把迈克尔逊-莫雷实验用来当做爱因斯坦提出相对论的关键根基，为什么喜欢这样？因为这样的套路用来讲物理故事非常的好：首先是实验发现一个异常现象，原来的理论无法解释，然后新的科学巨人通过对实验的分析大胆的提出了新的理论完美的解释了这个奇怪的现象，然后新理论预言的新东西被实验证实，然后新理论的获得了巨大的成功。

这种故事很具有“科学性”，案例也很多，因此很多教材喜欢这样用，但是并不是所有的理论发现都是这样套路，起码狭义相对论并不是这样。爱因斯坦这种超天才理论物理学家，他不是看到迈克尔逊-莫雷实验之后才发现光速不对劲，而是从理论上看到了麦克斯韦方程组，也就是电磁学和牛顿力学产生的不协调开始思考的。

爱因斯坦大学的时候基本没怎么上课，而是像疯子一样疯狂的阅读麦克斯韦电磁学方面的著作，我们在第一条光速不变的时候用麦克斯韦方程组推出了一个光速的公式：

这个公式奇怪的地方就在于：它的确准确无误的给出了光速的计算公式，给出了一个速度值，但是，这个速度是相对谁的速度？是哪个参考系下的速度？我们都知道，在牛顿力学里，单独的谈论速度是没有任何意义的，速度速度，一定是相对谁的速度，或者是某个参考系里的速度，你现在在这里玩手机没动，但是以太阳为参考系，地球带着你运动，你“坐地日行八万里”。在牛顿的体系里你算任何速度都会有参考系，但是我们的麦克斯韦同学硬生生的在没有任何参考系的的情况下逻辑严密的给你推导出一个光速出来了？这算谁的？你认不认？

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