为什么光的速度是固定不变的?

Question

为什么光的速度是固定不变的?

Answer 1

爱因斯坦1905年9月发表在德国《物理学年鉴》上的那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》,提到光速问题的话有四段：
“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着,这速度同发射体的运动状态无关.”
“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们定义如下：
1. 物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系.
2. 任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的.”
“对于大于光速的速度,我们的讨论就变得毫无疑义了；在以后的讨论中,我们会发现,光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色.”
“由此,当υ=V时,W就变成无限大.正像我们以前的结果一样,超光速的速度没有存在的可能.”
（《爱因斯坦奇迹年━━改变物理学面貌的五篇论文》[美] 约翰•施塔赫尔主编,范岱年、许良英译,上海科技教育出版社2001年版 第97━98页,第100━101页,第109页,第127页.）
光速不变第四解为质速解,此解从质速关系得来.爱因斯坦质速关系式：
m=m0/√1-υ2/c2（m为运动质量,m0为静止质量,υ为物体运动速度,c为光速）说明：物体以远低于光速的速度（人体尺度下）运动时,质量变化不明显,增加的质量忽略不计,可认为质量不变,以经典力学规律足可以应付计算需要.但接近光速运动时,物体质量增加较多,随着向光速的靠近,质量趋向无限大.大小两极相通,质量无限大因两极同一又为无限小,质量无限小可视为零,因此光子无静止质量.光作为极限物,大小同一,动静也同一,无静止质量即为无运动质量.从质速关系式也可得m0=0时,m=0,υ=c时,此公式不成立.有人认为没有质量怎会有能量?须知电磁场为能量场,光量子又是能量子,因光子无质量,任一能量值在与质量对比时都为无限大,因无质量,运动中也不消耗能量,除传递能量给其它物体外,光子能量足以保持其速度不变.
光子无质量为知性所不容,人们到处寻找有质量的根据.有人认为光有光压为有质量表现,但不知光压乃光电效应表现,是光量子、光能转化为电能的表现.也有人引爱因斯坦质能公式：E=mc2（E为能量,m为惯性质量,c为光速）,认为有质量才有能量,这就和前述质速公式冲突,这种冲突说明光作为极限物,独立于两式之外.我们根据另一能量公式：E=hν（E为能量、n为普朗克常数、ν为光频率）可计算出一定频率光之光子能量,使m=hν/c2推导光子潜质量.注意,这里指的是一定能量必对应一定质量,但对光子而言这只是其潜在质量而非实在质量,这就是实验中找不到有质量的光子的原因,潜在质量只说明可以转变为多少质量.如按经典力学观点非认定光有质量,电磁场有质量,真空作为光量子场就要表现出巨大质量,一切有光的场所也会有沉重的质量压力,含有电磁场的粒子质量都需加倍, 引力定律还会使真空形变.推理继续,光越强,质量越大,引力越大,恒星都变成了黑洞,岂不荒谬!电磁场为能量场,引力场为质量场,二者进一步同一才将潜在的质能关系扬弃为真实关系,这却不是本篇所论之题.还有人以光线在引力场中弯曲来证光有质量,有质量的东西才受引力吸引.我们知道,能量为斥力,不受引力作用影响,至于为何会弯曲,以后自会了解.电磁场有能量而无质量,引力场有质量而无能量,实物处二者间而兼有之,我们需再走一段才能真正了解它们.
光速不变的第五解为时空解,时空解源自爱因斯坦相对论.相对论告诉我们,物体高速运动时会发生“尺短钟慢”的现象,这种现象在低速运动中变化极小,可按牛顿力学定律视其无变化,但在高速中变化明显.如沿运动方向取1米的标尺,以地球时间1秒计算,每秒速度在3万公里时,1米为0.995米,1秒为1.01秒；在15万公里时,1米为0.866米,1秒为1.15秒；在29.7万公里时,1米为0.141米,1秒为7.1秒；在29.99万公里时,1米为0.02米,1秒为50秒.当物体运动速度达到光速时,物体沿空间方向的尺度会缩短为零,时间会慢到停止.
υ（公里/秒）
ι0（米）
ι（米）
t 0（秒）
t（秒）
0.1c=3万
1
0.995
1
1.01
0.5c=15万
1
0.866
1
1.15
0.9c=27万
1
0.436
1
2.29
0.99c=29.7万
1
0.141
1
7.1
0.9998c=29.99万
1
0.02
1
50
C=29.9792 458万
1
0
1
0
“尺短钟慢”效应说明空间和时间是随物质运动速度的变化而变化的,它适用于一切物质,包括光.光速下,时钟停摆,零时间意味着光在传播过程中不消耗时间.空间是物质的延展性,时间是物质变化的连续性或延展性.没有时间就意味着物质静止不变,保持原状,所以光速不变.零时空虽是合理推论,是自然现象、自然法则,也为知性形而上学所不容.更有一部分人认为运动是绝对的,静止时相对的,不但把运动与静止相割裂和对立,且把本应一并使用的对应范畴——相对与绝对分赠不同事物,在形而上学中也沦落到低层次.
辩证法认为有无同一.零时空并不意味着真的一无所有,而是说我们无法测量这时空.无数光量子溶为一体,共同构成大统一场,不分彼此,此光即彼光,因为你无法分离出单个的光量子,你也就无法给定某个量子以特定的空间和时间.这一现象与经济学中全民所有疑难类同：生产资料归全体人民所有,每个人都拥有生产资料,这只是象征性的；每个人又不拥有生产资料,这是实际性的,无法确定哪些生产资料是某个人的,结果无产阶级仍是无产阶级.世风日下情况下,私心膨胀,就变成你的也是我的,不拿白不拿,大家都拿,拿大家的.
人类生活领域比起这宇宙来,渺如尘沙,不值一提.人长期生存于人体尺度领域中,其生活经验及认识局限于此,这个世界的两极——极大和极小都在我们世界之外.如果不是近代人类面临生存危机,迫使我们跨入两极神秘之域,寻求新的生存空间,我们将永不能理解老子及黑格尔的辩证思想.