光速不变是相对论的基本假设吗？

“光速不变”一直都被认为是建立相对论的基本假设。“光速不变”是指真空中的光速相对于任一个惯性系沿任何方向都是常数c。不少优秀的实验物理学家布置了各种实验来验证这个基本假设的正确性。许多人担心：有朝一日这类实验测出光速c有变动，是否会威胁动摇狭义相对论的基础 ^{[1]、[2]、[3]} 。 1933年Miller ^[4] 曾报告出Michelson-Morley实验的“正面”结果，当时就在相对论者圈里引起一点紧张和骚动，后来大多数人都认为Miller的实验结果是可疑的。1962年W.Kanto ^[5] 的新实验又报告出“正面”苗头，因而也就在文中表示一些对相对论的怀疑，但后来陆续有精度更高的实验否定了W.Kanto的实验结果。相对论会受到来自这方面光学实验的威胁吗？上世纪五十年代R.S.Shankland教授在Einstein去世前几年有过对这位大师的五次访谈 ^[6] 。 R.S.Shankland 是继承Michelson、Morley这类型传统实验的光学专家，他带了很多有关Michelson、Morley 和另外一、二位当时这方面专家的实验布置、仪器设计、可能结果和可疑问题等有关材料来访问这位相对论创立者。一些谈话中心就围绕着Miller的实验， R.S.Shankland很肯定地认定是Miller的数据处理出了一些毛病。奇怪的是，Einstein并未表示感谢Michelson-Morley早年作过支持相对论的实验，也不担心害怕Miller的实验结果会真的威胁相对论，甚至不表示对这方面实验有特殊兴趣。他只表示十分佩服Michelson在这方面实验的毅力和成就，称赞他是了不起的光学技术实验专家。在对话中，Einstein说在1905年以前已对相对论摸索过十六年（应是在中学时代开始），一直未曾注意到Michelson-Morley实验。Einstein对Lorentz做过的工作倍加推崇，而他觉得自己是从中一针见血地找出要点，认为一切都是正确对待“时间”的问题。这位大师深信他的相对论理论基础是牢固可靠的，他很不赞成理论跟在实验后面跑。更不认为相对论是建立在“光速不变原理”的假设之上。当谈话转到量子力学时，他直率又委婉地对R.S.Shankland表示他的意见。他不认为量子力学是完整真实的理论，认为只不过在有用上还不错，是一种光辉的捷径，能免去最后正确理论要面对的一些艰巨工作。他明白说出理论不可以奴役于现实。他始终认为完整的理论必由相对论为基础的途径出发，虽然他自已后半生的努力或许也是错的。这位大师是理论主宰实践的衷心信仰者，他不相信有朝一日这类光学实验结果会真正威胁到相对论。

其实，十九世纪末物理学理论和实验都已经证明光的传播现象就是电磁波的行进过程，真空中光速 c 作为一个固定常数是总结全部电磁学规律的Maxwell方程组的一个重要结论。不过，依相对论建立之前的经典物理学（主要是牛顿力学）来审视电磁运动规律，物理学家遇到了两个基本困惑。首先，光（电磁波）凭什么可以带着能量在绝对真空中传播？类比于弹性波在弹性介质中的传播、声波在空气中的传播，人们自然假设宇宙间充满了一种可以作为光传播介质的“以太”。其次，根据伽利略力学相对性原理，所有惯性系描述力学规律都是等价的。在任何一个惯性坐标系中描述力学基本定律的数学方程在伽利略变换下都保持数学形式不变；但是在任何一个惯性坐标系中，描述电磁学规律的Maxwell方程组在伽利略变换下却不再保持数学形式不变。难道描述电磁运动规律存在一个特殊的参照系？力学相对性原理在电磁学中不再适用了吗？当时人们都认为存在一个特殊的参照系，它就是“绝对空间”里的绝对静止坐标系，在这个参照系里“以太”是静止不动的，在这个参照系中Maxwell方程组及电磁波传播的波动方程成立，也只有在这个参照系中测量真空中的光速为常数c  。          

撇开电磁学和Maxwell方程组，直接从光学实验来发现地球相对“以太”静止参照系的运动并证实c是否为万有常数，是相对论建立之前和之后不少物理学家做过的工作，文献记载颇多。这类实验以迈克耳孙（A.A.Michelson）1881年设计的干涉仪和1887年他和莫雷（E.W. Morley）合作提高了精度所做的实验最灵敏典型。遗憾的是，所有测量地球相对“以太”参照系运动的实验都没有得到正面结果。虽然1892年Lorentz和FitzGerald根据电子强迫振动理论提出仪器中运动的固体杆会沿速度方向缩短，在经典理论框架内解释了这个结果，但是只有相对论以全新理论高度对这类实验的反面结果做出了解释。

相对论是人类认识物理学客观规律的基本理论，它的本质就是物理学定律的相对性原理，其核心观点只有一个，那就是描述物理学定律的数学形式不应随坐标系统的不同而异。限制在惯性坐标系统间推演物理学定律数学形式的协变，称狭义相对论；无此限制则称广义相对论 ^[7]。牛顿为代表的经典力学是在分开独立的三维空间和时间中用伽利略变换来处理不同惯性坐标系统间力学规律的不变性。上世纪初（1903—1905），庞加莱（Poincaré）和爱因斯坦（Einstein）在时间和空间共同组合成的一个四维几何空间中来推演物理学定律的相对性原理，他们先后论证了，真空中总结全部电磁学规律的Maxwell方程式组的数学形式经过Lorentz变换后，在任一个惯性系中都保持不变，将“力学相对性原理”推广到包括电磁现象，并据以建立了狭义相对论。“真空中光速c为一个固定常数”是总结真空中全部电磁学规律的Maxwell方程组的一个重要结论，依相对论基本观点，真空中Maxwell方程组数学形式在任何惯性坐标系都保持不变，那么真空中光速c在任何惯性坐标系中也必然保持不变。只要相对论是正确的理论，那么真空中光速c在任何惯性坐标系中必然保持不变。所以，“真空中光速c在任何惯性坐标系都保持不变”是相对论的一个基本定理和结论，不可以把它看作是相对论的一个基本假设，更不可以错误地认为相对论是建立在这样一个基本假设的基础上。更详细的分析论述请参阅新书《相对论研究进展——隐埋半个世纪的相对论研究》 ^[8]

参考文献

[1] D. W. MacArthur, Special relativity: Understanding experimental tests and formulations [J], Phys. Rev. A 1986, 33 (1): 1-1

[2] M. P. Haugan , C. M. Will, Modern Tests of Special Relativity [J], Phys. Today 1987, 40: 69-76

           [3] C. M. Will, Phys. Rev. D45 (1992), 403

           [4] D. C. Miller , [J]. Revs. Modern Phys. 1933,5: 203

[5]W. Kantor , Direct first-order experiment on the propagation of light from a moving source,[J] J. Opt. Soc. Amer. 1962, 52 : 978-984

          [6] R. S. Shankland , Conversations with Albert Einstein,[J] Am. Jr. of Phys. , 1963, 31 ,47 

          [7] C. Mɸller , The Theory of Relativity , [M] , London : Oxford Press ., 1952 , ChapterⅡ

          [8] 董俊，董纳 ，《相对论研究进展——隐埋半个世纪的相对论研究》，[M] 英国 环球出版社2025 ，

                                        P.3——P.25         该书在国内京东、淘宝、微信小店等平台上有售：

           1. 京东:

 https://item.jd.com/10208406913988.html?sdx=ehi-  lLxFuZiE6JnKYYtYjMApsTOYAAMrsmpJuahNZNuIPe_RLJtU5XvmpE3lVmKT

           2. 淘宝：

https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=1012109824568

           3.微信：

   https://store.weixin.qq.com/shop/a/McoXiSEWYzrVUpI