光速不變原理是怎麼被發現的？

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，在這裏就不贅述了。今天，我們來詳細聊一聊：光速不變原理是咋來的？

關於光速的論戰

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，然後一邊點亮手裏的燈，另一邊看到後，立馬點亮自己手裏的燈，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，它指引着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，應該説，截止於目前為止，光的波動説完全佔據了上風。

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，也就是説，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着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：以太不存在。

26歲的少年

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“以太假説”，並且提出了“光速不變原理”，也就是遵照着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，在某種程度上説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。