光速不变原理 （狭义相对论的基本假设之一）

简介

1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）发表了《论动体的电动力学》（《On the Electrodynamics of moving bodies》）一文，提出了狭义相对论的初步设想，将相对性原理和光速不变原理作为狭义相对论的两个基本假设。在相对论创立的初期，迈克孙（Michelson）与莫雷（Morley）通过实验研究地球相对于“以太”的运动，后来，科学家们意识到，如果抛开“以太”假设，迈克孙与莫雷实验的结果就是对光速不变原理的验证。

光速不变原理是相对论的基石，它使得相对论中的时间和空间成为可以测量的量，以光为信号可以校对各个参考系中的时间，而空间距离可以采用时间的度量来定义，光速不变，则以光速乘以光信号在两个空间点之间的传播时间可以定义两点之间的距离，对每一个参考系定义了统一的时间并定义了长度后才可讨论“钟慢尺缩”等相对论效应（在广义相对论中，由于所谓惯性参照系不再存在，爱因斯坦引入广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的，这也使得光速不变原理可以应用到所有参考系中）。

简史

1632年，伽利略（Galileo）在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（《Dialogo sopra i due massimi systemi del mondo, tolemaico e copernicano》）一书中给出了伽利略相对性原理，认为在不同的参考系中的力学的基本规律相同，即在一切惯性参考系中力学规律都具有相同的数学形式，并提出了与力学相对性原理相应的伽利略变换。

1687年，牛顿（Newton）在《自然哲学的数学原理》（《Mathematical Principles of Natural Philosophy》）一书中绝对时空观，对时间和空间做出解释，认为时间和空间是绝对的、是始终如一的，与物质及物质的运动无关。牛顿的绝对时空观与人们的日常经验相符，因而得到了当时人们的普遍接受，在经典力学中，伽利略变换的数学表述也符合绝对时空观。

1864年，麦克斯韦（Maxwell）发表了题为《电磁场的动力学理论》（《A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field》）的论文，提出了联系电荷、电流和电场、磁场的麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，推导得出了电磁波在真空中的传播速度与真空中光速一致，认为光是一种按照电磁规律在场内传播的电磁扰动。但麦克斯韦的电磁理论并不满足伽利略相对性原理，为了解决这个问题，19世纪中期，麦克斯韦提出了光在以太中传播的假说，认为光波在内的电磁波的在以太中传播，以太假说提出后，学者们开始验证以太的存在。

1887年，迈克尔孙与莫雷合作，采用多次反射法，试图观测由以太引起的干涉条纹变化以验证以太的存在，最后实验结果表明，以太并不存在，光沿着各个不同方向传播速度的大小相同，与地球的运动状态无关，即光速不变。光速不变的实验结果，动摇了表征经典时空理论的伽里略变换的客观真理性，新的实验事实与旧时空概念发生这样深刻的矛盾，促使人们重新考虑对时空的认识问题，在这样的历史背景下，1905年，爱因斯坦在前人的理论和实验基础上提出了两条狭义相对论的基本原理，其中之一即为光速不变原理。

相关概念

伽利略相对性原理

伽利略相对性原理也称为力学的相对性原理，是指一切彼此作匀速直线运动的惯性参考系，对于描述机械运动的力学规律来说是完全等价的，并不存在任何一个比其他惯性参考系更为优越的惯性参考系，在一个惯性参考系的内部所作的任何力学的实验都不能够确定这一惯性参考系本身是在静止状态，还是在作匀速直线运动。

伽利略变换：

设参考系

麦克斯韦方程组说明，时变电场和时变磁场互相激发，且可以脱离场源而独立存在形成电磁波，麦克斯韦曾由麦克斯韦方程组推导出了电磁场的波动方程，由波动方程得到的电磁波的传播速度与已测出的光速是一样的，由此，麦克斯韦认为光也是一种电磁波。根据伽利略变换，应该存在一个特殊的参考系，在这一参考系中光速是麦克斯韦方程组给出的常数，而在其他参考系中光速会改变，但是实验结果表明任何参考系中真空中的光速都是麦克斯韦方程组给出的常数。为了解释这个矛盾，麦克斯韦提出了光在以太中传播的假说。

以太假说

以太假说的主要内容是：以太是传播包括光波在内的电磁波的弹性介质，它充满整个宇宙空间。以太中带电粒子振动会引起以太变形，这种变形以弹性波的形式传播，这就是电磁波。当时的学者们一直在寻找的绝对静止参考系，在这个参考系中光速才是与方向无关的恒量，假说提出后，学者开始积极地验证以太的存在。

绝对时空观

牛顿经典力学总结了低速物体的运动规律，也反映了牛顿的绝对时空观。绝对时空观认为时间和空间是绝对且完全相互独立的，彼此之间没有任何联系。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。

狭义相对论的基本假设

相对论是关于时空和引力的理论，主要由爱因斯坦创立，依其研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论。其中，狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，背景时空是平直的，曲率张量为零。

爱因斯坦的狭义相对论，建立在两个基本假设之上：

（1）相对性原理：基本物理定律在所有惯性参考系中都具有相同形式，与惯性参考系的选择无关，对所有的惯性参考系都是等价的，相对性原理是力学相对性原理的推广和发展，物理学规律在所有惯性参考系中都是相同的，肯定了一切物理规律（包括力、电、光等）都应遵从同样的相对性原理，它是伽利略相对性原理的推广，它也间接地指明了：无论用什么物理实验方法都找不到绝对参照系。

（2）光速不变原理：在一切惯性参考系系中，光在真空中沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量

S为光源，M为被半透明半反射的玻片。入射到M上的光线分成两束，一束穿过M片到达反射镜M₁，然后返回M，再被M反射到观测镜筒T。另一束被M反射到M₂，再从M₂反射回来，穿过M片到达观测镜筒T。把此装置水平放置在地球上，设地球相对于以太的漂移速度为

2000年，佛罗伦萨意大利国家研究委员会的物理学家兰法尼（Anedio Ranfagni）和他的同事们展示了一种在自由空间中获得超光速的方法。他们让微波束进入到一个厘米尺度的环中，使其从环内的曲面镜上反射，从而产生贝塞尔光束，从环的上方看，贝塞尔光束有两个像X一样相交的波平面，两个平面波的交点的移动速度可以比平面波本身的速度更快。

2017年，卡洛斯·萨宾（Carlos Sabín）提出了一种使用量子计量来检测虫洞的方法。由于虫洞电磁场的相干态会经历相移，并且部分与虫洞的喉部半径相关，微小的相移可以通过在喉部到虫洞出入口距离的零差测量来检测到，即便相移发生在距离喉部很远的地方也能够检测到。

2021年，美国国防高级研究计划局（DARPA）物理学家哈罗德·怀特率领团队在观测动态真空模型预测的卡西米尔腔中存在的能量密度的可能结构时发现了一种微米到纳米尺度的结构，这个发现可以推测真实世界中曲速泡的存在。

2021年，迈克尔·科丁（Michael Cordin）设计了一个思想实验，在两个镜子之间向前或向后反射发射光子，其中一个镜子具有一定的透光性，然后分析讨论两镜之间找到光子的概率。根据分析结果发现，能量与时间的不确定性与海森堡不确定性原理之间存在天然联系；从不确定性原理证明多普勒效应的合理性的角度进行更深入的分析后发现，这个思想实验可以论证光速不变原理。

应用

同步加速器

电子的质量很小，在不大的能量下其速度已接近光速，这时，即使能量成百倍地增加，速度也不会明显变化，所以，在设计同步加速器时，可以合理地定出所要求的动能，估算出加速器半径的大小，能量要求越高，半径越大，半径小一些，能节约大量的经费，超导技术实现的强磁场也可以缩小加速器半径，同步加速器可以用来加速电子，也可以加速质子和其它重粒子。

激光脉冲测距

激光脉冲测距利用光速不变的原理，由激光器向被测目标发出一个激光短脉冲信号，信号经目标反射后返回，利用激光器从发出激光短脉冲信号到接收返回信号往返一次所需要的时间间隔与光速，则可求出激光器到目标的距离。这种测距方法简单、容易实现。但在实际应用中，会遇到在光传播路径中受周围介质如大气中的气体成分、温度、湿度、气流、气压等的影响。因此通常采用高强度、脉冲宽度超窄的激光脉冲作为光源来提高测量的精度。

全球定位系统（GPS）

GPS采用交互定位的原理。根据几何原理，已知几个点的距离，就可求出未知点的位置,对GPS而言，已知点是空间的卫星，未知点是地面某一移动目标，由于光速不变，卫星的距离可通过卫星信号传播时间来与光速测定，即为传播时间乘以光速。由于光速很快，要求卫星和接收机相互间的同步精度达到纳秒级，而接收机使用石英钟，因此，测量时会产生较大的误差。需要同时跟踪4颗GPS可见卫星才能计算出经度、纬度、高度及接收机钟差。

类似现象/理论

物体的极限速度

根据相对论，物体的质量与运动速度有关，物体静止时的质量称为静止质量

切伦科夫（Cherenkov）效应

在折射率大于1的物质中，光的传播速度小于它在真空中的传播速度；当荷电粒子通过这种物质时，其速度就有可能大于光在这种物质中的传播速度，当其速度就大于光在这种物质中的传播速度时，高速运动着的荷电粒子将损失能量，损失的能量以电磁波的形式释放出去。

卡西米尔（Casimir）效应

如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起,较长的波长就会被排除出去，金属盘外的其他波会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强，这种现象就是卡西米尔效应。卡西米尔效应非常微弱，但是对于微纳米甚至毫米尺度的电子系统或者微机械电子系统而言，有可能能够借助卡西米尔效应将精微部件粘合在一起。

祖父悖论

祖父悖论也叫时间悖论。假如一个人能回到过去，如果他在自己的父亲出生以前杀死了自己的祖父，那么父亲就不可能出生，没有父亲也就不可能有他，他本人不存在就不可能回到过去杀死自己的祖父。这里所涉及的规定——“祖父”是一个经验规定。在经验内容中,“祖父”意味着在时间上先于其孙辈。