簡(jiǎn)單回答：我們也不知道為什么，大自然就是這樣的。

說(shuō)白了，光速不變，不隨參照系發(fā)生改變，就是一個(gè)假設(shè)，假設(shè)，假設(shè)！

重要的事情說(shuō)三遍。

是愛(ài)因斯坦把“光速不變?cè)?/strong>”當(dāng)做一個(gè)基本假設(shè)，加上另外一個(gè)“狹義相對(duì)性原理”，在這兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，提出了著名的狹義相對(duì)論。

所以，不要用試圖用狹義相對(duì)論去詮釋為什么光速不變，因?yàn)?strong>光速不變是因，狹義相對(duì)論才是果，我們?cè)趺纯赡苡媒Y(jié)果去反推原因呢？不要弄反了！

既然人們并不知道光速為什么不變，是不是就沒(méi)有必要再去討論題目中的問(wèn)題了？

當(dāng)然不是，如果問(wèn)題到此就戛然而止，作為科普工作，也太失敗了。雖然我們并不知道為什么光速不變，但起碼需要了解愛(ài)因斯坦為什么會(huì)提出“光速不變”這個(gè)假設(shè)。

當(dāng)然，愛(ài)因斯坦絕不是“拍腦門”隨便想出來(lái)的“光速不變”，過(guò)程是相當(dāng)漫長(zhǎng)的，也充滿了曲折，同時(shí)更需要有扎實(shí)的物理學(xué)知識(shí)作為背景，否則腦洞再大也很難提出“光速不變”這個(gè)如此大膽甚至“大逆不道”的假設(shè)。

為什么光速不變“大逆不道”呢？

原因很簡(jiǎn)單，光速不變實(shí)在太違背人們的日常生活經(jīng)驗(yàn)了。日常生活中我們知道，速度都是相對(duì)的，必須有參照系，否則速度就失去了意義。

而我們平時(shí)所講的速度基本上都是默認(rèn)地面為參照系，因此也沒(méi)必要特意強(qiáng)調(diào)出來(lái)。比如說(shuō)高速公路限速120公里，這個(gè)速度就是以地面為參照系。

你在現(xiàn)實(shí)中能找到一個(gè)沒(méi)有參照系的速度嗎？顯然找不到。

愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論之前的物理學(xué)界也是這么認(rèn)為的，沒(méi)有任何速度是絕對(duì)的，必須有參照系才有意義。

但是光速的橫空出世，給了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界當(dāng)頭一棒。我們知道，麥克斯韋統(tǒng)一了電和磁，而偉大的麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出光速的計(jì)算公式。

通過(guò)公式可以看出，光速只與真空的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)，并沒(méi)有提到任何參照系。言外之意，這個(gè)公式暗示著在參照系下，真空中的光速都保持絕對(duì)不變。

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界意識(shí)到這一點(diǎn)的時(shí)候，無(wú)不驚呼：這怎么可能？完全不可能！

因?yàn)槿绻馑僬娴牟恍枰獏⒄障担３纸^對(duì)不變的話，意味著之前物理學(xué)家們辛辛苦苦幾百年建立起來(lái)的物理學(xué)體系將會(huì)轟然倒塌，尤其是早就被世人奉為“神明”的牛頓經(jīng)典力學(xué)，也會(huì)被推翻。

為什么？

因?yàn)?strong>牛頓經(jīng)典力學(xué)是以絕對(duì)時(shí)空觀為背景的，具體來(lái)講就是以伽利略提出的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，任何運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。如果光的運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，那么很顯然牛頓經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)就沒(méi)有說(shuō)服力了。

怎么辦呢？當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬不可能眼睜睜地看著物理學(xué)大廈就這樣被推翻，但也不可能因此得罪麥克斯韋方程組，畢竟這個(gè)方程組如此美妙，甚至堪稱人類歷史最優(yōu)美最偉大的方程。

結(jié)果，物理學(xué)界大佬只能選擇一個(gè)中庸的方法，盡量協(xié)調(diào)牛頓經(jīng)典力學(xué)與麥克斯韋方程組之間的矛盾。

而以太的概念就是這種背景下出現(xiàn)的。物理學(xué)家們把“以太”定義為光速的參照系，也是絕對(duì)靜止的參照系。

也就是說(shuō)，物理學(xué)界仍舊認(rèn)為時(shí)空是絕對(duì)的，而“以太”可以理解為相對(duì)絕對(duì)時(shí)空靜止的物質(zhì)。這種物質(zhì)遍布整個(gè)宇宙空間，只是我們看不到也摸不著。

說(shuō)白了，以太也是一個(gè)假設(shè)的概念。不過(guò)假設(shè)其實(shí)也沒(méi)什么，科學(xué)的發(fā)展本來(lái)就是“大膽假設(shè)，小心求證”，接下來(lái)物理學(xué)家們只需要找到以太存在的證據(jù)，一切都萬(wàn)事大吉了。

物理學(xué)界大佬們當(dāng)然也是這么做的，這才有了后來(lái)著名的“邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)的目的很單純，就是為了尋找以太。

但結(jié)果大家都知道了，根本找不到以太存在的證據(jù)。既然以太不存在，不就是表明光速真的是不變了嗎？

如今確實(shí)有很多人是這樣想的，認(rèn)為邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速不變，其實(shí)不然。

一方面，邁克爾遜和莫雷兩人打死也不敢接受光速不變，他們寧愿相信實(shí)驗(yàn)過(guò)程出了差錯(cuò)或者實(shí)驗(yàn)儀器不夠精密，才導(dǎo)致了找不到以太存在的證據(jù)。這是可以理解的，我們不能用現(xiàn)在的眼光去衡量當(dāng)時(shí)的物理學(xué)時(shí)代。事實(shí)上不僅是邁克爾遜和莫雷，幾乎所有的物理學(xué)大佬都不相信以太不存在，因?yàn)樗麄冎?，如果以太真的不存在意味著什么。說(shuō)白了，當(dāng)時(shí)幾乎所有的物理學(xué)界大佬本能地排斥任何有可能推翻物理學(xué)大廈的思想！

另一方面，找不到以太存在的證據(jù)，也真的不能說(shuō)明光速真的不變，因?yàn)?strong>以太的概念本來(lái)就是假設(shè)的，即便以太不存在，還可能存在其他東西來(lái)詮釋光速的特殊性?？傊褪?，邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)只能證明以太不存在，但并沒(méi)有證明光速不變。如果真的證明了，根本就沒(méi)有愛(ài)因斯坦什么事了。

而如今很多人認(rèn)為的“邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速不變”實(shí)際上是以現(xiàn)代的物理學(xué)為標(biāo)準(zhǔn)，是以“上帝視角”去衡量當(dāng)時(shí)的物理學(xué)時(shí)代，這顯然是不妥的。

邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)之后，很多物理學(xué)大佬也做了類似的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都表明以太真的不存在。按道理講，事情到這里應(yīng)該很簡(jiǎn)單了：既然以太不存在，干脆就接受光速不變好了。

但事情遠(yuǎn)沒(méi)有想象得那么簡(jiǎn)單，我們低估了統(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的牛頓經(jīng)典力學(xué)在當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的地位。即便當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬知道了以太不存在，但仍舊沒(méi)有放棄尋找其他方式來(lái)協(xié)調(diào)牛頓經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋方程組之間的矛盾，但就是不愿意接受“光速不變”。

洛倫茲提出了著名的洛倫茲變換，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的物體尺寸會(huì)縮短，用這種現(xiàn)象試圖詮釋光速的特殊性，而洛倫茲的思想仍舊沒(méi)有擺脫絕對(duì)時(shí)空觀的束縛。

終于，物理學(xué)界大佬愛(ài)因斯坦登場(chǎng)了。愛(ài)因斯坦對(duì)麥克斯非常崇拜，尤其是鐘情于優(yōu)雅的麥克斯韋方程組，從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來(lái)的光速計(jì)算公式中得到了極大的啟發(fā)，尤其是在其他物理學(xué)大佬為尋找以太存在的證據(jù)，或者為調(diào)和牛頓經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋方程組之間矛盾忙得不可開(kāi)交的時(shí)候，愛(ài)因斯坦果斷地用“奧卡姆剃刀”直接把“以太”切除了。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為：既然所有的實(shí)驗(yàn)都表明以太真的不存在，干嘛還要如此執(zhí)著地尋找呢？直接接受“光速不變”不好嗎？這樣的話，一切都變得簡(jiǎn)單明了！

愛(ài)因斯坦把“光速不變”當(dāng)做一個(gè)基本假設(shè)，再加上“狹義相對(duì)論原理”，在兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，狹義相對(duì)論問(wèn)世了。

但是等等，剛剛不是說(shuō)“如果光速不變，就意味著牛頓經(jīng)典力學(xué)就轟然倒塌了嗎？”

實(shí)際上，說(shuō)“倒塌”就嚴(yán)重了。我們需要明白科學(xué)的本質(zhì)，就是可證偽性?？茖W(xué)的這種特性就意味著任何科學(xué)理論都有局限性，都存在隨時(shí)“被證偽”的可能性。而科學(xué)的發(fā)展正是不斷突破人類認(rèn)知局限性的過(guò)程。

牛頓固然偉大，但他也有認(rèn)知的局限性，這是時(shí)代的局限性，任何人都無(wú)法突破。剛才說(shuō)了，牛頓經(jīng)典力學(xué)是建立在絕對(duì)時(shí)空觀基礎(chǔ)上的。而愛(ài)因斯坦提出了新的時(shí)空觀，也就是相對(duì)時(shí)空觀。

也就是說(shuō)，我們所在的四維時(shí)空并不是絕對(duì)的，時(shí)間和空間是相對(duì)的，有彈性的。只不過(guò)時(shí)空的這種彈性只有在速度非?？?，接近光速時(shí)才會(huì)明顯體現(xiàn)出來(lái)。而我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)歷的速度與光速相比實(shí)在太小了，因此時(shí)空的相對(duì)性完全體現(xiàn)不出來(lái)，用牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀仍舊能很好描述我們的日常運(yùn)動(dòng)，這也是為什么如今統(tǒng)治我們?nèi)粘Ｉ畹娜耘f是牛頓經(jīng)典力學(xué)，而不是相對(duì)論。

說(shuō)白了，牛頓經(jīng)典力學(xué)只是相對(duì)論在低速低引力狀態(tài)下的近似值，但即便是近似值，對(duì)于我們來(lái)講也足夠精確了。更何況牛頓經(jīng)典力學(xué)足夠簡(jiǎn)單，而相對(duì)論下的引力場(chǎng)方程顯得太復(fù)雜了！

所以，牛頓經(jīng)典力學(xué)錯(cuò)了嗎？嚴(yán)格來(lái)講確實(shí)錯(cuò)了，但誰(shuí)會(huì)這樣說(shuō)呢？剛才也反復(fù)強(qiáng)調(diào)了，科學(xué)理論的發(fā)展就是不斷突破各種局限性的過(guò)程，牛頓經(jīng)典力學(xué)只是適用范圍有限罷了，并不能說(shuō)“牛頓經(jīng)典力學(xué)”就是錯(cuò)的。

就好比愛(ài)因斯坦的相對(duì)論在面對(duì)黑洞時(shí)，同樣會(huì)失效，又有誰(shuí)會(huì)因此說(shuō)“相對(duì)論錯(cuò)了”呢？同樣的道理，即便將來(lái)人類發(fā)現(xiàn)了更高級(jí)的物理定律能夠詮釋黑洞，也不能說(shuō)相對(duì)論就錯(cuò)了，只是適用范圍有限罷了。

這就是光速不變的前世今生。

總結(jié)

還是那句話，光速為什么不變？沒(méi)有理由，起碼目前我們找不到理由，大自然就是這樣的。這也是為什么我經(jīng)常會(huì)講“光速不變不僅僅是假設(shè)，其實(shí)也是公理”，而公理就不需要理由，只需要你相信或者不相信。

公理通常會(huì)有兩種，第一種是符合我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)的，比如說(shuō)“兩點(diǎn)之間線段最短”。還有一種并不符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，比如說(shuō)“光速不變”。

不符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，并不代表公理就是錯(cuò)的，原因很簡(jiǎn)單：我們一直被束縛在地球這個(gè)狹小的范圍內(nèi)，日常生活經(jīng)驗(yàn)肯定是有很大局限性的。如果我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)相悖，當(dāng)然要以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，而光速不變卻是經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

完！