什么是光速不变原理

速度是描述物体运动快慢和方向的物理量。人们的日常生活经验告诉我们，在判断同一物体的运动状态时，在不同地方的观察者得出的结论可能是不同的。一个最明显的例子是：一个站在地面上的人，看到公路上有一辆汽车急速行驶时，如果这辆汽车中有另外一个人与外界完全隔绝，他看不到车外任何景色，也听不到汽车发动机的任何声响，那么车内这个人必定认为这辆汽车是静止的。他们之所以会有不同的结论，是因为每个人选择的参考系不同。地面上的人以地面上的树木、房屋为参考背景，看到汽车位置在变动，因此理所当然地认为汽车在行驶中。而汽车中的人以汽车为参考#景，汽车有多快，参考系也有多快，因而，这个人认为汽车是静止的。尽管如此，大量的观察表明，在地面上做物理实验得到的结果，和在这辆汽车上（假设汽车作匀速直线运动）做同一个实验所得的结果是一样的，这就是物理学上所谓的彻利略相对性原理，即如果力学定律在一个参考系中是有效的，那么在任何其他相对于这个参考系作匀速直线运动的参考系中也是有效的。这种力学定律在其中有效的参考系称为惯性系。

爱因斯坦分析了直到20世纪初的物理学成果，认为伽利略相对性原理是普遍正确的，并进一步指出：不仅是力学定律，而且电磁学和其他物理定律在所有惯性系中都有相同的形式。

然而，在解释电磁波传播时，相对性原理却面临着进退两难的局面：一方面，科学研究证明了电磁波的存在和电磁波在真空中传播速度等于真空中的光速c，那么，根据相对性原理，真空中光速c对所有惯性系——不管它们相对静止或相对运动——都是相同的，与发出电磁波的波源的运动无关！但另一方面，任何物体运动快慢总是相对于一定参考系而言的，因此，“光速c对任何惯性系都是相同的”说法是不允许的。

面对这种严重的抉择，爱因斯坦于1905年9月在德国《物理年鉴》上发表了题为“论运动物体的电动力学”的论文，提出了两条基本假设：一条是相对性原理，另一条就是光速不变原理，即在所有惯性系中，光在真空中的传播速度都是相同的c。根据最新测量结果，1986年光速的推荐值为c=299792458米/秒。

那么如何理解“运动快慢是相对于参考系的”这个符合人们常识的结论呢？爱因斯坦认为，当物体运动时，在不同惯性系中观察得到的结论，是可以通过一种称为“洛伦兹变换”的方式互相联系起来的，也就是从一个惯性系“看到”的物体运动快慢，可以通过“洛伦兹变换”推算出它在另一个惯性系中的运动快慢。按照这种变换，一个运动的物体在运动方向上长度会缩短，当它运动速度接近光速的90%时，计算表明，它的长度只有原来的一半；而且，一个运动着的钟的步调也会比静止时的步调慢，当它以光速运动时，运动步调就完全停止了。正是根据这样的时空观，如果一个物体相对于船的速度是光速c，那么它相对于岸的速度也是光速_C，那种“运动快慢是相对于参考系的”结论在这种情况下已不适用了。由于人们的常识是在运动速度比光速小得多的情形下得到的，在低速运动的宏观世界里，人们观察不到“洛伦兹变换”带来的结果，因而常识的结论是有效的，与光速不变原理并不矛盾。

关键词：参考系 惯性系 伽利略相对性原理 相对性原理 光速不变原理 洛伦兹变换 时空观