科學探索菌

光速不變是因為光速是由介質傳遞的原理，光速不變也是傳遞的特性，如電、電磁波的速度都是與光速相等，因為它們都是傳遞速度！

常青久

首先說一下什麼光速不變原理，它並不是指光在真空中的速度是30萬公里每秒，而是指光在任何參照系下的速度都是光速本身，光速是絕對的，不需要參照物，比如說你拿著手電筒以5米/秒的速度奔跑，靜止的我看到手電筒發出的光的速度仍舊是光速，而不是光速+5米/秒！

再回到問題中來！準確地說，光速不變原理不是被發現的，是愛因斯坦做出的一個假設，然後在現實中被驗證的！

我們都知道，愛因斯坦相對論之前，牛頓的絕對時空觀統治著物理學界，這種時空觀人為，萬事萬物的速度都是相對的，都需要有參照物，光的速度也不例外。

但愛因斯坦仔細研究了麥克斯韋方程組發現一個問題，方程組中光速是一個常數，也就是沒有參照物。在絕對時空觀思維的支配下，於是物理學家們開始尋找光速的參照物，以太應運而生。

但之後物理學家們發現以太的存在會導致越來越多的問題和矛盾。愛因斯坦天才的大腦開始發揮作用，他就想，為什麼以太一定要存在呢？以太本來就是假設的，如果以太不存在，光速不需要參照物，一切問題不就解決了嗎？

按照奧卡姆剃刀原理，愛因斯坦認為我們沒必要刻意讓科學走向複雜，假設光速不變，一切就變得如此簡單。而麥克斯韋方程組中的光速也恰恰是一個常數！

於是，光速不變原理應運而生，它就是一個假設。這個假設得到了驗證，比如說邁克爾遜莫雷的實驗！

而愛因斯坦的狹義相對論就是建立在光速不變原理基礎上才出現的！光速不變的實質是時間和空間的相對性，牛頓的絕對時空觀也因此土崩瓦解！

宇宙探索

光速不變原理是怎麼被發現的？

在大家的印象中光速不變的原理是隨著愛因斯坦1905年狹義相對論發表時，同時提出的兩條基本假設：

狹義相對性原理：一切物理定律在所有慣性系中均有效

光速不變原理：光在真空中的速度c是一個常數，與光源的運動狀態無關。

前者說的是一切物理定律（除引力外）在洛侖茲變換下保持形式不變，不同的時間內進行的實驗得出的物理定律是一致的。

後者字面意思理解起來就更簡單：即無論你怎麼折騰，光速始終是一個常數，即：299792458米/秒。

當然愛因斯坦將其放在狹義相對論的基本假設中，也就是狹義相對論在這兩條假設之上，讓這個假設成了真設，隨著相對論的傳播，在大家的印象中就是愛因斯坦發現了光速不變原理，其實不然，在十九世紀末，至少有兩位科學家發現了光速不變原理。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

比較瞭解科學的朋友都知道麥克斯韋是是在愛因斯坦之前僅次於牛頓的人物，都知道他是玩電的，而且前無古人後無來者，但對於麥克斯韋偉大成就的意義卻知之甚少

費曼如此評價麥克斯韋，我們就不廢話了，反正就是說他的影響力遠超美國內戰。要來定義麥克斯韋成就的意義，必須來了解他的四個著名方程組：

當然只有最後一項麥克斯韋獨立發現，這個意義非凡，因為變化的電場能產生磁場，變化的磁場又能產生電場，往復循環.......這就是傳說中的電磁波，但當時並沒有發現電磁波，麥克斯韋僅僅從理論上推導出來了。

麥克斯韋根據他的方程組直接推導出了電磁波的速度，如下圖所示：

因為ε0和μ都是常數，因此計算出來的電磁波速度也是一個常數，當然那會還是電磁波速度，麥克斯韋僅僅是根據這個速度和當時已經測定的光速一致，判斷光就是電磁波的一種，但麥克斯韋並無實錘證明，不過兩者一致非常詭異啊。不過後來發現光是電磁波的一種也就釋然了，只不過它的頻率比較窄，只是電磁波中的可見光波段一小段。

邁克爾遜-莫雷實驗

這個實驗的起始要從牛頓時代開始說起，自牛頓發現萬有引力以來，他就一直為一件事苦惱，是什麼傳播了天體之間的引力？最終他選擇了借用亞里士多德的“以太”來作為引力傳播的媒介，包括天體以及光都在以太中傳播！

• 1660年，胡克認為光在一種叫做發光以太的介質中傳播，並且波不受重力影響。
• 1800年，托馬斯楊發現了光的干涉以及偏振性，托馬斯楊用衍射實驗證明了光的波動性。

光是一種波絕對是一種新玩意兒，但波大家都很熟悉，水波，聲波等，前者藉助水傳遞，而後者則依賴介質，比如空氣和或者其他物體等。那麼光藉助以太傳播，那麼可以測量光與以太之間的相對速度（伽利略變換）來證明以太是否存在。

1887年邁克爾遜和莫雷在美國克里夫蘭的卡思應用科學學校進行了此次實驗，實驗原理當時看來實在非常巧妙，如下圖：

當時並沒有激光器，用的是相干光源，通過分光鏡分成兩束，然後通過反射鏡反射回分光鏡，最終回合於檢測平面上，如果在“絕對靜止”的條件下，兩束光在檢測屏上不會留下干涉條紋，但如果相對以太運動，那麼將會出現速度差而出現干涉。這個實驗裝置非常巧妙，當然現在已經很常見了，包括LIGO檢測引力波用的也是這個原理。

邁克爾遜和莫雷實驗結果發現，相對於以太的速度遠小於地球公轉的速度30千米/秒，因為系統仍然存在誤差，當時並不敢判定以太到底是否存在，但實驗傳開後各方都投入了大量的紅拂驗證實驗。

各位可以發現邁克爾遜最早在1881年就已經獨立測試，那時誤差比較大，但後期其他科學家驗證越來越小，但仍然存在。當時仍然有部分科學家認為地球可能帶著以太一起跑了，不過這個很快就被天文觀測所打臉，因為如果存在地球帶著以太跑這個可能的話，天文觀測早就發現光線的異常傳播現象了。

當然這裡留一個小小的懸念，邁克爾遜-莫雷實驗中的誤差並非全部是誤差。

光速不變和狹義相對論

其實在愛因斯坦的狹義相對論之前，我們不得不提兩個人：

• 洛侖茲和龐加萊

1904年，物理學家洛倫茲在論文《以任意小於光速的系統中的電磁現象》提出了著名的洛倫茲變換，用於解釋邁克耳孫-莫雷實驗的結果誤差。他認為運動物體的長度會收縮，並且這個收縮只發生運動方向上。

引入洛侖茲變換後，邁克爾遜-莫雷實驗中的“誤差”被成功解決。在著名的洛侖茲變換之前的1895年，洛侖茲就提出了長度收縮的假設，並且提出了“本地時”的概念來解釋光行差以及多普勒頻移等，洛侖茲變換概念也於這一年被提出，在1899年修正和1904年再次修正後正式發表。1900年龐加萊認為洛倫茲的本地時是來自不同座標系之間通過光速進行的時鐘同步，這就是後來愛因斯坦狹義相對論中同時性的相對性的概念。

當洛倫茲和龐加萊小心翼翼的在通往狹義相對論道路上摸索的時候，愛因斯坦大膽的提出了兩條光速不變和下一相對性原理為基本假設的狹義相對論，當然愛因斯坦並沒有獨佔狹義相對論的功勞，他將洛侖茲和龐加萊成為狹義相對論的先驅，愛因斯坦也是站在了巨人的肩膀上！

星辰大海路上的種花家

光速不變原理

光速不變原理其實是狹義相對論的兩條基本假設，另外一條是相對性原理。愛因斯坦就是利用這兩條基本假設推導出了整個狹義相對論。其實這種方式是很復古的，數學中，歐幾里得幾何學就是利用5條基本假設，推導出了整個平面幾何學，愛因斯坦與此是如出一轍的。

那什麼是光速不變原理呢？具體的定義是這樣的：

無論在什麼樣的慣性參照系中進行觀察，光在真空中的傳播速度相對於觀測者都是同一個常數，這個常數不隨光源和觀測者所在參考系的相對運動而改變。這個常數是299,792,458 m/s。

簡單翻譯一下就是，無論你在什麼位置什麼狀態下看到光的速度都是一樣的，也就我們常說的光速，他不會隨著參考系的不同的而不同。

我們可以舉個例子來具體感受一下，如果有個人在車上以5m/s的速度運動，他的運動方向與車的運動方向是一致的，而車速是10m/s。請問，如果有個地面觀測者，他看到人的速度是多少？

其實很多人都可以一下子脫口而出，10+5=15m/s。那我們現在這樣，如果這個人手裡還拿著一個手電筒，並且向前照射，那請問車上的人，地面上的參考者來說，他們看到的光的速度是多少？

按照上文的方式，實際上的結果就會是，車上的人看到的是光速c；而地面參考者看到的速度就是光速+車速+人運動的速度，也就是（c+15）m/s。

可光速不變原理告訴我們，無論是地面參考者還是車上的人，甚至上天上還有一種鳥在勻速地飛，他們看到的這光的速度都是c。

那麼問題來了，為什麼會這樣的呢？這明明很不符合我們的直覺。

光速不變原理的歷史

實際上，這事還要從伽利略說起，我們剛才提到的相對性原理，本質上就是伽利略提出來的伽利略變換。那你可能要問了，啥是伽利略變換？

我們可以簡單粗暴地理解成剛才上文用到10+5=15m/s來理解，也就是，判斷物體是否運動，其實要先選取參照系。

後來，牛頓在提出他的力學理論時，就引用了伽利略變換。（不過，牛頓的觀點是和伽利略稍微有點出入的，這裡就不細說了。）而牛頓力學在宏觀低速下是和現實情況十分擬合的，大多數的人都在使用牛頓的理論來解決日常的運動學和力學的問題。

牛頓的這套理論其實是真的很準，深受廣大學者和人民群眾的喜好，甚至還可以拿來預言天體的存在，比如：海王星就是科學家利用牛頓理論僅僅依靠筆和紙就算出來的。

可好景不長，麥克斯韋提出了電磁學理論，用麥克斯韋方程統一了“電”和“磁”，同時預言了電磁波的存在。

麥克斯韋這套理論其實和牛頓理論在物理學史上的地位是有一拼的，麥克斯韋方程可以描述所有關於“電”和“磁”的現象，與牛頓理論一樣，這套理論也被廣泛接受。照理說，原本這是沒啥問題的，可偏偏兩者出現了矛盾。這個矛盾源自於，麥克斯韋方程可以推導出光速c=1/ε0μ0。這裡的ε0是真空介電常數，而μ是真空磁導率，這兩個都是常數，也就是說光速c也是個常數。可這不對啊，因為在牛頓理論中，一個物體的速度到底多少要取決於所選取的參考系，於是兩者就出現了矛盾。

所以，從麥克斯韋之後，物理學界就陷入了調和兩大理論矛盾的困境之中，這當中有許許多多的人花了大把的時間試圖搞清楚其中的原因。當時比較主流的認同是，存在一種叫做“以太”的東西，它是光傳播的介質。（在地上，光是一種波是主流觀點。波粒二象性還沒有被提出來。）這其實就和水波傳播需要水作為介質是一回事，假設出來的“以太”就是光的“水”。

但科學家光假設是沒辦法推動理論發展的，到底對不對還要靠實驗和觀測。於是，又有大把的實驗物理學家想通過實驗找到“以太”存在的證據。結果，他們全都失敗了。（其中比較有名的就是邁克爾斯莫雷實驗。）

愛因斯坦

當“以太”不存在已經成為了定局時，科學家又開始思考其他的路徑，其中比較有名的就是洛倫茲和龐加萊。他們都曾無限接近於提出狹義相對論，但都失敗了。

而愛因斯坦直接拋棄掉了傳統的束縛，果斷提出了“光速不變原理”，並結合伽利略變換推導出了狹義相對論。可能你要問了，為什麼是愛因斯坦提出了光速不變原理，關於這個問題，我覺得楊振寧就說得很有道理，他曾在自己的一篇名為《機遇與眼光》的文章中寫到

洛倫茲有數學，但沒有物理學；龐加萊有哲學，但也沒有物理學；
正是 26 歲的愛因斯坦敢於質疑人類關於時間的原始觀念，堅持同時性是相對的，才能從而打開了通向微觀世界的新物理之門。

鍾銘聊科學

這個話題只有一個用處，就是讓我們再次重溫愛因斯坦的偉大，僅此而已。

光速不變原理是一個假設，完全是愛因斯坦自己想出來的

1905年，愛因斯坦在瑞士專利局擔任3級審查員，在那個小房子的窗口下，他一口氣於這一年中，完成和發表了5篇論文，其中三篇完全配得上諾獎，當然還包含現代科學之柱之一的狹義相對論和那個文盲都識得E=mc2。

根據他傳記作者CP.斯諾記載：愛因斯坦“全憑思索，獨自一人，沒有聽取別人的意見就得出了結論。在很大程度上，情況就是這樣。”

光速不變對當時科學界的意義

這個簡單的假設以及其簡單的推論E=mc2；解釋了恆星為什麼可以燃燒幾十億年而又不把燃料用盡。一下子使得地質學家和天文學家的視界開闊了幾十億年。一下子解決了宇宙性質的核心部分。

同時，該理論也解決了光以太的問題，說明它並不存在，牛頓的絕對靜止的經典宇宙統治時間結束了，現代科學進入到愛因斯坦相對論統治宇宙的時間。

相對論的理解至今仍舊困擾大多數人

相對論中的光速不變，實際內容就是空間和時間不是絕對的，一切都可以為了光速不變而讓步以及做出改變。我們本能的把時間看做永恆的，絕對的，不可改變的。相信什麼也改變不了它的步伐。但愛因斯坦認為，時間是可以改變的，不斷變化的。時間甚至還有形狀，一份時間和三份空間結合在一起。不可思議的形成一份“時空”。

結語

我還是用CP.斯諾的話來結尾吧：狹義相對論是一項深刻而重要的成就，但是愛因斯坦沒有想到，別人也會想到，很可能在5年之內，這是一件在等著發生的事情。但是，廣義相對論完全是另外一回事，沒有愛因斯坦，我們今天有可能還在等待那個理論！

感謝愛因斯坦，一牛二愛三麥，絕對實至名歸！

貓先生內涵科普

答：光速不變原理是狹義相對論中的一個基本假設，並被大量實驗證實；光速不變原理的發現是一個曲折的過程，也有不少物理學家走了彎路。

早在18世紀，科學家就利用光行差的原理來測量光速，但是由於測量精度有限，所以結果可以用牛頓的經典時空得到合理解釋，數值大概在每秒30萬公里左右。

在1865年，大科學家麥克斯韋建立大名鼎鼎的電磁學方程組，我們現在使用的電磁學方程組是經過精簡的，麥克斯韋利用方程組得到一個波動速度：

其中ε0是真空介電常數，μ0是真空磁導率，兩個常數都是可以通過實驗測量的，不算不知道，一算嚇一跳，當麥克斯韋把ε0和μ0的數值帶進去後，發現這個波動速度與光速基本吻合。

麥克斯韋經過深思熟慮之後，大膽預言了電磁波的存在，並指出可見光是電磁波的一部分，直到20多年後的1887年，德國科學家赫茲才用實驗證明了電磁波的存在，麥克斯韋的電磁學理論堪稱經典物理學的巔峰之作。

在麥克斯韋的電磁學理論當中，有一個關鍵引起了物理學家的注意：真空介電常數和真空磁導率是通過實驗得到的，兩個常數並不依賴於參考系存在，那麼兩者結合得到的光速也是定值，按理說也不依賴於參考系。但是在牛頓力學的經典時空中，光速的大小與參考系有關，這讓科學家們非常矛盾。

雖然以太學說可以勉強解釋這個矛盾點，但是解釋過程並不令人滿意；在1887年，邁克爾遜和莫雷使用干涉儀測量了不同方向上的光速，發現不同方向的光速是完全相同的，這一實驗否定了以太的存在，動搖了經典物理學的基礎。

當時的一些物理學家為了捍衛經典物理學，也提出了一些解決方案，比如洛倫茲想象從相對運動對分子間距離的縮短，給出了一個符合邁克爾遜-莫雷實驗的洛倫茲變換。

直到1905年，愛因斯坦把光速不變作為狹義相對論的基本假設，才徹底解釋了邁克爾遜-莫雷實驗。

值得一提的是，愛因斯坦公開表示過，在他1905年提出狹義相對論時，他也只是在洛倫茲的論文中聽說過邁克爾遜-莫雷實驗，但並未深入瞭解過該實驗。所以光速不變原理不能看作邁克爾遜-莫雷實驗的直接結果。

愛因斯坦提出光速不變原理，雖然不是受到邁克爾遜-莫雷實驗的啟發，但是邁克爾遜-莫雷實驗的重要性是不言而喻的，也將作為狹義相對論的重要證據。

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艾伯史密斯

只要是一束光，那麼不管它相對於什麼慣性參考系，它的傳播速度都是一樣的。在愛因斯坦的相關理論中，“光速不變”可以說是我們最難接受的一個概念了，但就這個與常識相悖的理論，卻偏偏成為了現代物理學的公理。

那麼這條公理到底是怎麼來的呢？這事要從大名鼎鼎的英國物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）的電磁學基礎方程組講起，這組方程不光統一了電磁領域，而且還計算出了電磁波在真空中的傳播速度與光速一致，從而預言了光也是電磁波，這個預言隨後被實驗物理學家所證實。

於是一個問題就擺在科學家們的面前，那就是所謂的速度都是相對某個參考系的，那光在真空中的速度又是以什麼為參考系呢？對於這個問題，當時的主流理論認為宇宙中存在著一個無處不在的、絕對靜止的參考系-“以太”。

在當時的科學界，對“地球圍繞太陽公轉”這個說法早已認同。顯而易見的，地球相對於“以太”是有一個速度的，如果真空中的光速是相對於“以太”這個參考系的，那麼根據速度疊加原理，從地球上發射出去的不同方向的光，它們的速度必定不會是相同的。

為了驗證這個理論，美國物理學家阿爾伯特.邁克爾遜（Albert Abrahan Michelson）和愛德華.莫雷（Edward Morley）於1887年利用邁克爾遜干涉儀做了一個著名的實驗，即邁克爾遜-莫雷實驗。這次實驗的結果是，光速在不同慣性參考系以及不同的方向都是不變的。

這個實驗結果在當時可謂是石破天驚，因為它似乎撼動了當時整個物理學的根基，於是科學家紛紛進行了相似的實驗，實驗的精度也大幅的提升，然而這眾多實驗的結果都是驚人的一致！順便提一下，阿爾伯特.邁克爾遜也因此成為了美國曆史上第一個獲得諾貝爾物理學獎的人。

科學家們不得不面對這一事實，即經典運動學是對的，麥克斯韋方程組也是對的，但為什麼把它們放在一起就不對了呢？於是他們提出了各種理論來試圖解釋這個現象，但這些理論都不能做到完美的程度。

這個時候愛因斯坦大膽地指出，既然事實就是這樣的，那麼在宇宙中“以太”就不應該存在，而“光速不變”就應該做為一條物理學中的定律。

在此基礎上，愛因斯坦提出了著名的“狹義相對論”，假設光速對於任何慣性參考系都是不變的。為了支持“光速不變”，時間和空間就不應該是絕對的了，這就是“鐘慢尺縮效應”。

當一個物體在低速運動的情況下，因為時間和空間的變化程度極其細微，所以經典運動學可以給出近似的解釋，而當這個物體的速度越接近光速，時間和空間就改變得越明顯，這個時候就只能用相對論來解釋了。

愛因斯坦就這樣把這個問題解決了，我們也可以看出，“光速不變”這條定律，是愛因斯坦基於觀測到的自然現象提出的一個合理的假設，通俗地講，就是猜的……如果有一天，你發現了真空中的光速其實是可變的，那麼整個世界將因你而改變！

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魅力科學君

光速不變原理實際上是愛因斯坦相對論的基礎，相對論是建立在兩條基本假設至上的科學理論，這兩條基本假設，其中之一是光速不變原理，另外一個就是相對性原理。

相對性原理實際上就是我們初高中所學的參考系的一些相關知識，在這裡就不贅述了。今天，我們來詳細聊一聊：光速不變原理是咋來的？

關於“光到底跑多快”這個問題，自古以來就有很多的猜想和實踐，第一個提出測光速並且真的去做這個實驗的人是伽利略。伽利略找了兩座山，然後一邊點亮手裡的燈，另一邊看到後，立馬點亮自己手裡的燈，通過這樣一來一回，我們可以計時，兩座山之間的距離除以時間，再乘以2，就可以得到結果。

如今我們來看伽利略這個實驗，可能會覺得這個實驗想當然了，畢竟光速可是3*10^8m/s，一秒鐘可以繞地球7圈半。事實也是如此，伽利略並沒有成功地測出光速來。

不過科學家並沒有放棄測量光速，除了測量光速，科學家們也一直在探討光到底是什麼？

最早，牛頓就提出了自己的觀念，他除了《自然哲學的數學原理》這本鉅著之外，還有一本光學的奠基之作《光學》，在這本著作中，牛頓提出光是一種粒子。

牛頓當時在學術圈是絕對的霸主地位，沒有人敢來挑戰他的權威，因此，當時的主流學術觀點就是：光是一種粒子。當然，當時也有像惠更斯和胡克這樣的學者認為：光是一種波。

事情的轉折發生在牛頓之後的150年左右，當時有個人叫做托馬斯楊，他做了一個楊氏雙縫干涉實驗。

這個實驗實際上是很神奇的，它指引著人類創建了量子力學，不過這都是後話了。楊氏雙縫干涉實驗，在那個時代是“光是一種波”的強有力證據。這是在實驗上，但從理論上，科學家也搞出了一套理論，這就是大名鼎鼎的麥克斯韋方程。

麥克斯韋通過這個理論，統一了電和磁，讓我們知道電和磁其實是一個東西。同時，麥克斯韋預言了電磁波的存在，以及光是一種電磁波。

隨後，赫茲通過是按證明了麥克斯韋的觀點，應該說，截止於目前為止，光的波動說完全佔據了上風。

牛頓 vs 麥克斯韋

當然，這個新鮮出爐的理論，解決了幾乎所有的電磁學現象，但卻和牛頓力學發生了矛盾。這是因為麥克斯韋方程可以推導出光速的表達式：1/ε0μ0。其中ε0是真空介電常數，μ0是真空磁導率，它們都是常數項，也就是說，光速也應該是一個常數。

可我們要知道的是，根據牛頓力學，任何物體的運動其實取決於選取的參考系，不同的參考系下，運動狀態都有可能是不同的。

可麥克斯韋的理論似乎預示著光速是超越參考系而存在的，它在任意慣性參考系的速度都應該是一致的。當時的學者也懵了，畢竟兩個理論都是極其準確的。於是，他們就在想，如果光是一種波，那它的傳播應該像水波那樣需要介質的存在，水波的介質就是水。

當時的學者就把光波傳遞的介質叫做以太。不過，這是純粹地科學假設，到底存在不存在還得依靠觀測實驗。於是，許多科學家投身於驗證“以太是存在”的實驗中。結果出乎了所有人的意料，他們的實驗紛紛指向了一個結果：

當這個結果出來後，當時大多數的物理學家都是不想放棄現有的理論，還在想各種辦法來補救。此時有個專利局的三級專利員在1905年陸續發表了多篇論文，其中有兩篇被稱為狹義相對論。這個專利員就是26歲的愛因斯坦。

這兩篇論文中，愛因斯坦放棄了“以太假說”，並且提出了“光速不變原理”，也就是遵照著麥克斯韋理論推導的結果，光速在任何慣性參考系下都不變。加上相對性原理，就推導出了狹義相對論。

因此，光速不變原理的提出，在某種程度上說是為了調和兩個理論體系（牛頓力學和麥克斯韋電磁學理論）的矛盾。只是在調和的過程中，愛因斯坦以此為基礎，直接提出了一套全新的理論，而且適用面要比牛頓理論更廣。

當然，愛因斯坦通過光速原理推導得到了物質、信息、能量的傳遞速度不能超過光速。這其實也是愛因斯坦留給其他科學家來證偽相對論的一個角度。但是100多年來，無數人挑戰了這個假設，至今沒有人可以證偽相對論。因此，至少從目前來看，光速不變原理還是很堅實的科學假設。

薛定諤的科學

光速不變原理是愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論中的兩條基本假設之一，它是相對論的框架基礎，如果光速不變發生變化的話，那對於現如今的物理大廈將是毀滅性的，不過，這樣的情況不會發生。

是愛因斯坦提出的光速不變原理嗎？

是愛因斯坦提出的，但愛因斯坦的啟發來自於麥克斯韋方程組，從麥克斯韋方程組中可以推導出來光速是一個定值，如下：

從方程組中計算得來這算是一個啟發，邁克爾遜-莫雷實驗算是另外一個啟發。邁克爾遜-莫雷實驗是一項於1887年在美國的克利夫蘭由莫雷與邁克爾遜兩人做的用邁克爾遜干涉儀測量兩條垂直光線速度差值的一項著名的物理實驗，從實驗的結果來看，光速的大小與所選擇的參考系無關，簡而言之就是，無論在什麼樣的參考系中，光速都是定值。

麥克斯韋方程組

在愛因斯坦沒有在狹義相對論中以光速不變原理做假設之前，大多數的物理學家依然停留在牛頓時代的絕對時空觀念之中，認為以太是一個絕對的參考系。愛因斯坦以其洞察的智慧，果斷的拋棄了以太的觀念，否定絕對時空，由來自於麥克斯韋方程組以及邁克爾遜-莫雷實驗的啟發，愛因斯坦打破成規，提出了光速不變原理。

什麼是光速不變原理呢？

舉個簡單的例子，夜間，一輛開著前照燈的疾馳的火車（速度v），小明安然的坐在椅子上，小芳在火車裡朝著火車運行的方向走去（速度為u），小月在火車道旁邊站著目睹火車從不遠處的火車道上飛奔離去。於是，小明測得的前照燈光的速度是c，小芳測得的速度不是c-u，而也是c，小月測得的速度不是c+v，而也是c，也就是說，不管你處於什麼樣的參考系中，光速依然是c，定值，不變。

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科學船塢

在牛頓的經典力學之中，科學家認為以太是傳播光的媒介，引力甚至電、磁力是在以太中傳播的，由此發展了“光以太”假說。

除此之外，物理學家將這種無處不在的“以太”看作絕對慣性系，其它參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對以太參照系的速度的矢量疊加。

舉一個簡單的例子，你在火車上跑，那麼你的小夥伴看來，你的速度=火車的速度+你在車上的速度發現沒有，在這個理論當中，速度是可以疊加的，但是如果你的小夥伴在一輛速度相同的火車上看你，那麼你的速度就是你在車上奔跑的速度。

所以其它參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對以太參照系的速度的矢量疊加。就是這個道理，也就是說光速會隨著參照系的不同，也變得不同。

當時當麥克斯韋提出了電磁理論的時候，兩者出現了矛盾，

麥克斯韋建立的電動力學，有一個結果就是光速在不同慣性系是不變的，電光速是不需要相對於某個參考系而言的。在任何慣性參考系下，光速都是3×10^8m/s。

這個結果和經典力學的伽利略變換是相矛盾的。如果我們把伽利略變換應用於描述電磁現象的麥克斯韋方程組時，將發現它的形式不是不變的，也就是說光速不是一個固定的數值，即在伽利略變換下麥克斯韋方程組或電磁現象規律不滿足相對性原理。

我們可以由麥克斯韋方程組得到電磁波的波動方程，由波動方程解出真空中的光速是一個常數。按照經典力學的時空觀，這個結論應當只在某個特定的慣性參照系中成立，這個參照系就是以太。但是電磁理論卻得出了光速在任何情況下是不變的，也就是說以太這個絕對慣性系是不存在的，

愛因斯坦在總結了邁克耳孫—莫雷實驗和洛倫茲變換的基礎上，發現只有光速不變才能對這些矛盾做出合理的解釋，所以他提出光在真空中總是以確定的速度c傳播，速度的大小同光源的運動狀態無關。在真空中的各個方向上，光信號傳播速度（即單向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的運動狀態和觀察者所處的慣性系無關。這個原理同經典力學不相容。有了這個原理，才能夠準確地定義不同地點的同時性。

1905年愛因斯坦發表的題為《論動體的電動力學》一文中以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了一種區別於牛頓時空觀的新的平直時空理論。這就是我們熟知的大名鼎鼎的狹義相對論。

關鍵字: 不變 傳遞 光速