在大家的印象中光速不變的原理是隨著愛(ài)因斯坦1905年狹義相對(duì)論發(fā)表時(shí)，同時(shí)提出的兩條基本假設(shè)

狹義相對(duì)性原理：一切物理定律在所有慣性系中均有效

光速不變?cè)恚汗庠谡婵罩械乃俣萩是一個(gè)常數(shù)，與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

前者說(shuō)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(shí)間內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得出的物理定律是一致的。

后者字面意思理解起來(lái)就更簡(jiǎn)單：即無(wú)論你怎么折騰，光速始終是一個(gè)常數(shù)，即：299792458米/秒。

當(dāng)然愛(ài)因斯坦將其放在狹義相對(duì)論的基本假設(shè)中，也就是狹義相對(duì)論在這兩條假設(shè)之上，讓這個(gè)假設(shè)成了真設(shè)，隨著相對(duì)論的傳播，在大家的印象中就是愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了光速不變?cè)?，其?shí)不然，在十九世紀(jì)末，至少有兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了光速不變?cè)怼?/p>

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

比較了解科學(xué)的朋友都知道麥克斯韋是是在愛(ài)因斯坦之前僅次于牛頓的人物，都知道他是玩電的，而且前無(wú)古人后無(wú)來(lái)者，但對(duì)于麥克斯韋偉大成就的意義卻知之甚少

費(fèi)曼如此評(píng)價(jià)麥克斯韋，我們就不廢話了，反正就是說(shuō)他的影響力遠(yuǎn)超美國(guó)內(nèi)戰(zhàn)。要來(lái)定義麥克斯韋成就的意義，必須來(lái)了解他的四個(gè)著名方程組：

當(dāng)然只有最后一項(xiàng)麥克斯韋獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，這個(gè)意義非凡，因?yàn)樽兓碾妶?chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又能產(chǎn)生電場(chǎng)，往復(fù)循環(huán).......這就是傳說(shuō)中的電磁波，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電磁波，麥克斯韋僅僅從理論上推導(dǎo)出來(lái)了。

麥克斯韋根據(jù)他的方程組直接推導(dǎo)出了電磁波的速度，如下圖所示：

因?yàn)棣?和μ都是常數(shù)，因此計(jì)算出來(lái)的電磁波速度也是一個(gè)常數(shù)，當(dāng)然那會(huì)還是電磁波速度，麥克斯韋僅僅是根據(jù)這個(gè)速度和當(dāng)時(shí)已經(jīng)測(cè)定的光速一致，判斷光就是電磁波的一種，但麥克斯韋并無(wú)實(shí)錘證明，不過(guò)兩者一致非常詭異啊。不過(guò)后來(lái)發(fā)現(xiàn)光是電磁波的一種也就釋然了，只不過(guò)它的頻率比較窄，只是電磁波中的可見(jiàn)光波段一小段。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的起始要從牛頓時(shí)代開始說(shuō)起，自牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力以來(lái)，他就一直為一件事苦惱，是什么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(lái)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(rèn)為光在一種叫做發(fā)光以太的介質(zhì)中傳播，并且波不受重力影響。

• 1800年，托馬斯楊發(fā)現(xiàn)了光的干涉以及偏振性，托馬斯楊用衍射實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性。

光是一種波絕對(duì)是一種新玩意兒，但波大家都很熟悉，水波，聲波等，前者借助水傳遞，而后者則依賴介質(zhì)，比如空氣和或者其他物體等。那么光借助以太傳播，那么可以測(cè)量光與以太之間的相對(duì)速度（伽利略變換）來(lái)證明以太是否存在。

1887年邁克爾遜和莫雷在美國(guó)克里夫蘭的卡思應(yīng)用科學(xué)學(xué)校進(jìn)行了此次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)時(shí)看來(lái)實(shí)在非常巧妙，如下圖：

當(dāng)時(shí)并沒(méi)有激光器，用的是相干光源，通過(guò)分光鏡分成兩束，然后通過(guò)反射鏡反射回分光鏡，最終回合于檢測(cè)平面上，如果在“絕對(duì)靜止”的條件下，兩束光在檢測(cè)屏上不會(huì)留下干涉條紋，但如果相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)，那么將會(huì)出現(xiàn)速度差而出現(xiàn)干涉。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置非常巧妙，當(dāng)然現(xiàn)在已經(jīng)很常見(jiàn)了，包括LIGO檢測(cè)引力波用的也是這個(gè)原理。

邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于以太的速度遠(yuǎn)小于地球公轉(zhuǎn)的速度30千米/秒，因?yàn)橄到y(tǒng)仍然存在誤差，當(dāng)時(shí)并不敢判定以太到底是否存在，但實(shí)驗(yàn)傳開后各方都投入了大量的紅拂驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

各位可以發(fā)現(xiàn)邁克爾遜最早在1881年就已經(jīng)獨(dú)立測(cè)試，那時(shí)誤差比較大，但后期其他科學(xué)家驗(yàn)證越來(lái)越小，但仍然存在。當(dāng)時(shí)仍然有部分科學(xué)家認(rèn)為地球可能帶著以太一起跑了，不過(guò)這個(gè)很快就被天文觀測(cè)所打臉，因?yàn)槿绻嬖诘厍驇е蕴苓@個(gè)可能的話，天文觀測(cè)早就發(fā)現(xiàn)光線的異常傳播現(xiàn)象了。

當(dāng)然這里留一個(gè)小小的懸念，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)中的誤差并非全部是誤差。

光速不變和狹義相對(duì)論

其實(shí)在愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論之前，我們不得不提兩個(gè)人：

• 洛侖茲和龐加萊

1904年，物理學(xué)家洛倫茲在論文《以任意小于光速的系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象》提出了著名的洛倫茲變換，用于解釋邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差。他認(rèn)為運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度會(huì)收縮，并且這個(gè)收縮只發(fā)生運(yùn)動(dòng)方向上。

引入洛侖茲變換后，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度收縮的假設(shè)，并且提出了“本地時(shí)”的概念來(lái)解釋光行差以及多普勒頻移等，洛侖茲變換概念也于這一年被提出，在1899年修正和1904年再次修正后正式發(fā)表。1900年龐加萊認(rèn)為洛倫茲的本地時(shí)是來(lái)自不同坐標(biāo)系之間通過(guò)光速進(jìn)行的時(shí)鐘同步，這就是后來(lái)愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論中同時(shí)性的相對(duì)性的概念。

當(dāng)洛倫茲和龐加萊小心翼翼的在通往狹義相對(duì)論道路上摸索的時(shí)候，愛(ài)因斯坦大膽的提出了兩條光速不變和下一相對(duì)性原理為基本假設(shè)的狹義相對(duì)論，當(dāng)然愛(ài)因斯坦并沒(méi)有獨(dú)占狹義相對(duì)論的功勞，他將洛侖茲和龐加萊成為狹義相對(duì)論的先驅(qū)，愛(ài)因斯坦也是站在了巨人的肩膀上！