相对论（5）光速为什么恒定不变？这个问题有答案吗？

　　上回我们说到，牛顿力学和电磁学出现了明显的矛盾，物理学家们就假设出了以太来解决问题。
　　之后就开始找以太，看看这东西到底有没有，找以太其实就是在找绝对静止的参考系，以及光的传播媒介，结果令所有人大为吃惊，这东西根本找不到。
　　实验在遭遇失败以后，又回到了起点，物理学家们又不得不面临在牛顿和麦克斯韦之间二选一的困境。面对这种情况都不知道如何是好，手心手背都是肉，牛顿力学，电磁学都是亲儿子。
　　这时半路杀出了一个不知名的小青年，不按套路出牌，乱拳打死了一片老师傅。
　　这位就是大名鼎鼎的爱因斯坦。当时的爱因斯坦只不过是专利局一个小小的三家技术员，这个工作算是公务员，对我们这些普通人来说，这是一个相当体面的工作。
　　但对于爱因斯坦来说，这个工作的好坏就没法定义了，要不是大学同窗格罗斯曼求着父亲给爱因斯坦找这个工作，估计爱因斯坦还是个无业游民。
　　爱因斯坦是1900年7月从苏黎世联邦理工大学毕业的，由于他上学时候的表现，让他的数学老师闵可夫斯基和物理老师韦伯极其恼火，所以给了爱因斯坦非常差的毕业评语。
　　导致了爱因斯坦毕业以后，没有一所大学要他，教书的梦想破灭了，爱因斯坦就写自荐信给其他的物理学教授，看能不能去实验室当个助手之类的，发出去的信件就像扔进了沟一样，一点声响都没有。
　　物理学家的梦想也破灭了，把爱因斯坦弄得是不上不下，找不到合适的工作，两年时间的无收入，让他吃饭都成了问题。
　　这一年，爱因斯坦发表了5篇论文，每一篇都足以让他名垂科学史，关于光量子的论文，使他获得了诺贝尔奖，也使他成为了量子论的开创者之一；
　　事实证明，爱因斯坦的性格就适合干这种朝九晚五的工作，不适合去实验室，更不适合给人当助手；
　　在专利局工作的好处非常多，干完自己的本职工作，就可以无拘无束地思考物理学，没人限制，更没人批评年轻的爱因斯坦，爱因斯坦最受不了的就是这个。
　　1905年这一年，对爱因斯坦来说，像是上帝亲吻了他的大脑一般，在他的头脑中爆发出了惊人的思维风暴。
　　这一年，爱因斯坦发表了5篇论文，每一篇都足以让他名垂科学史，关于光量子的论文，使他获得了诺贝尔奖，也使他成为了量子论的开创者之一；
　　测量分子大小的论文，使他获得了博士学位；对布朗运动的解释，成了验证原子存在最好的证据，论动体的电动力学，使他统一了时空，最后一篇论文中他提出著名的方程Emc。
　　其中《论动体的电动力学》就是我们要说的主题，后世称为狭义相对论。
　　从论文的名字就可以看出，爱因斯坦的目的是想调和牛顿动力学理论和电动力学之间的矛盾。
　　这篇论文的形式，跟牛顿的《原理》如出一辙，从假设公理出发，经过逻辑严密的数学推导，得出定理。
　　其都延续了欧几里得《几何原本》的公理体系。足以见得欧几里得几何学对西方科学思想的影响。
　　在《论动体的电动力学》中，爱因斯坦提出了两条公设，也被称为狭义相对论的两条基本原理。
　　第一，所有的物理规律，在任何惯性系下，保持不变。称为相对性原理。
　　第二，光在真空中的传播速度恒定不变，称为光速不变原理。
　　爱因斯坦正是以这两条基本假设为前提，经过逻辑演绎，发展出了狭义相对论中的各种定理，所以了解这两条基本假设，对于了解相对论来说，非常重要。
　　因为没有这两条假设，就没有相对论，这两条假设中的任何一条是错误的，那以此为基础的各种推理都是错误的。
　　我们先说相对性原理，估计有人觉着这个原理很眼熟在哪里见过，说明你的记性还不错，伽利略曾经也说过一个相对性原理。
　　他说，在任何惯性系下，力学规律保持不变。意思就是，在惯性参考系下，没有哪个运动状态比另外一个运动状态更加优越，比如你坐着飞机以每小时800公里的速度巡航，我骑着自行车以每小时一个馒头的速度爬行，从舒适感上你确实比较优越。
　　但是对于物理学定律来说，一切惯性系都是平等的，你在飞机上做力学实验，跟我在自行车上做力学实验获得的逻辑形式和数学形式完全一样。
　　这就是伽利略相对性原理，而爱因斯坦认为，为什么只有力学规律，难道力学规律就比其他物理学规律更加优越？
　　难道电磁学、热力学规律都难登大雅之堂？很显然，上帝喜欢简单，不喜欢搞这种区别对待，所以爱因斯坦就将伽利略相对性原理扩展到了所有的物理学规律，这就是狭义相对性原理。
　　既然电磁学的逻辑形式和数学形式在惯性系下保持不变，那么在电磁学中描述光速的方程也应该不变。
　　由于电磁学中描述光速的方程，跟介质，以及参考系都没有关系，所以只要这个数学形式不变，那么光速在惯性系下就不会发生改变。
　　也就是说，你在飞机上测量的光速，跟我在自行车上测量的光速应该是一样的，这就是光速不变原理，只要电磁学定律在惯性系下保持不变，只要狭义相对性原理正确，那光速相对于惯性系就恒定。至于非惯性系，爱因斯坦这时还没有考虑，因为在非惯性系下，物理定律就就发生改变，至于对光有怎样的影响，这些广义相对论需要考虑的范畴。
　　其次，迈克尔逊莫雷实验也证伪了以太的存在，没有绝对静止的参考系，麦克斯韦方程组也预示着光速不变，因此爱因斯坦才大胆的将光速不变作为了一条公理假设。
　　爱因斯坦发现，在牛顿力学当中，把光速看作一个随着参考系变化而变化的量，那么空间和时间就是绝对的，但是当你把光速看作恒定不变，也就是光速时绝对的，那么空间和时间将是相对的，根据光速不变原理，很快爱因斯坦就发现了一个不同于牛顿的世界观。
　　这就是我们下个视频的内容。
　　最后我们回答，为何光速恒定不变？
　　其实上节课，我们在结尾已经表明了这样一个观点，光速不变这件事无法被证明，只能被证伪。现在爱因斯坦把它当作了狭义相对论的一条公理假设，更是意味着这条表述不需要证明，也无法证明，但你任何人都可以来证伪。
　　光速不变，只能由经验得出，然后根据它推理出一系列的定理，这就是科学研究的一般方法，也是指导整个人类科学发展的公理体系。
　　如果你非要追问为何光速恒定不变，给出来的回答全是相对论的表述，你又会说，你这不是循环论证吗？其实严格来说不是，这是逻辑自洽，先假设光速不变，然后得出一些推论，这些推论又验证了你的假设是正确的，这说明你的体系逻辑一致，完美自洽。
　　那这是不是意味着，就不能怀疑光速不变这条假设了？并不是，你完全可以假设光速不恒定，然后根据你这条假设继续往下推导，得出符合逻辑的推论，并且得到实验验证。
　　那么你就可以证伪爱因斯坦的相对论。只要你有能力，完全可以这么做。但是如果你给不出逻辑自洽的推理体系，或者说，你的体系得不到实验的验证。
　　你还在质疑相对论，还在怀疑相对论的基本假设，那科学一般会无视你的质疑，不做任何回应。
　　如果你只是单纯地想知道为什么光速恒定不变？科学一般也会对这种问题不予理睬，因为科学本身就不是一个能回到所有为什么的学科，你只要接受就好。
　　好了，今天的内容就到这里。