《宇宙之问》光速为什么是恒定的？

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科学聚焦发布时间: 11-0522:03

人类在认识光的性质之初，认为光速并非是一成不变的。同时认为它在传播的过程中像声波一样需要一种媒介，人们假定了一种介质，称为“以太”，并假想光在媒介以太上进行传播。

以太的提出，最早是亚里士多德所设想出来的，用于弥补柏拉图四元素说中对应的几何空缺。后来，以太不断地出现在科学界，并随着历史时刻的不同，代表的意义也不尽相同。

在17世纪，法国哲学家勒内·笛卡尔（Rene Descartes 1596年—1650年），最先将以太引入科学，建立了以太漩涡说，用以解释太阳系内各行星的运动。笛卡尔赋予了以太某种力学的性质，在笛卡尔看来，物体之间的所有作用力都必须通过中间媒介物质来传递，不存在任何超距的作用。他认为空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满，以太虽然不能被感官所感觉，但是它能传递力的作用，像引力和磁力等作用力。

英国的物理学家胡克（Hooke）进一步提出了光的波动学说后，他认为以太作为一种物质在空间中无处不在，以此作为波动媒介。这种观点由荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens ，1629年—1695年）进一步发展，惠更斯用空间中无所不在的以太来说明引力现象，在这一时期的以太被称为光以太。

18世纪，经历了以太论的没落时期，笛卡尔主义者拒绝引力的距离平方反比定律，使得牛顿的追随者开始反对笛卡尔的哲学体系，连同笛卡尔的以太论也在反对之列。随着牛顿引力跟距离的平方成反比观念的成功，以太论占了下风，超距作用力开始盛行起来。

到18世纪后期，人们发现电荷和磁场同样遵循着距离平方的反比定律，光以太的概念被彻底抛弃了，整个18世纪，以太观念处于沉寂时期。

19世纪，以太再次被提到桌面上来，作为光的一种传播介质出现。人们认识到光是一种波，生活中的波大多需要传播介质，声波的传播需要借助于空气，水波的传播需要借助于水等介质，人们开始设想光的传播介质是什么呢？人们想起了以太，因为没有可以替代它的物质存在，以太作为一种光的传媒介质，再次出现在人们的视野中。

按照当时的观念，以太无处不在，并且它没有质量，绝对静止。根据这一性质，人们设想假设太阳处于以太中，地球围绕太阳公转，相对于以太具有一个速度V ，因此在地球上测量光速，在不同的方向上，测得的数值应该不同，最大的速度应该是C+V ，最小的速度为C－V 。

19世纪后期，也就是在1887年，迈克尔逊（Michelson）和莫雷(Morley)希图通过实验得出地球相对于以太参考系的速度V，这是一项用迈克尔逊干涉仪器测量两束垂直光的光速差值实验，如果两束光的速度有差值，就会被干涉仪记录下来，然而经过反复实验验证，实验结果都是零，没有出现预期的干涉现象。

迈克尔逊-莫雷的著名实验证明了一个现象，光在空间中的传播速度是不变的，光在宇宙中传播不需要任何介质，以太的观念再次退出了历史的舞台。光速不变原理最后成为了爱因斯坦狭义相对论的一条重要的假设。

光速不变原理认为，光相对于任何惯性的观测者，它的传播速度都是一个物理常量，与观测者和光源的运动速度无关。

光速的大小实际上是由两个常数决定的，一个是真空介电常数，一个是真空的磁导率，这是因为光是电磁波的缘故，这两个常数和麦克斯韦方程息息相关，我们可以通过麦克斯韦的波动方程得出光速的方程式。

我们由麦克斯韦的波动方程：

可以推导出：

从上式可以看出，光速的大小取决于两个常数，不以观测者的移动而发生变化，与观测者参照系的状态无关，光速不变原理是爱因斯坦相对论的一个重要假设，如果光速是可变的，相对论的大厦就会倾塌。

迈克耳逊和莫雷实验为光速不变原理提供了重要证据，因此二人的贡献是十分巨大的，后来经过科学家测定光速在真空中传播的数值为299792458米/秒，为了方便，我们通常四舍五入记作3x10^8米/秒。