深度長文：如何理解光速不變？從兩個著名實驗來理解！

有一個神秘的裝置。時而子彈全部穿過，表明這一裝置具有可穿透性；時而子彈又全部被反射了回來，使該裝置具有不可入性。

爲什麼同一個裝置具有截然不同的特性呢？將這個問題套用到自然界，就是爲什麼自然界呈現在我們面前的是大千世界，存在着各種性質迥異的不同事物呢？面對各種變化萬千的世界，我們應該如何認識並梳理這一雜亂無章的世界呢？

在經典力學時期，在天文觀測方面，人們就面對着兩個完全矛盾的實驗。它們是雙星實驗和邁克爾遜-莫雷實驗。

在宇宙中，與太陽系不同，普遍存在着雙星系統。這是因爲星雲在收縮時，有兩個較大的中心點。於是，形成了兩個恆星系統。它們圍繞着共同的質量中心相互旋轉。如果兩個恆星的質量相差較大，則質量中心就會偏向質量大的那個恆星。於是，表現爲質量小的恆星圍繞着質量大的恆星運動，就像地球圍繞着太陽進行公轉。兩者的區別在於，進行公轉的恆星是發光的，使我們有機會對該恆星進行觀測。甚至，位於中心位置的那顆質量較大的恆星是白矮星或黑洞，以至於我們看到的，只是一顆恆星在孤獨地自行轉圈。奇怪的是，這顆恆星的光譜，時而紅移，時而藍移。爲什麼會這樣呢？

由於光具有運動頻移效應，星光頻率的週期性變化說明該恆星正在週期性地接近或遠離我們的地球，即該恆星正在圍繞着某一箇中心進行公轉。

由於我們的宇宙是一個有機的整體，是由作爲物理對象的物質和作爲物理背景的空間共同構成的。因此，不存在絕對獨立和自由的物體。任何物體的能量都具有兩種不同的存在形式，其一是相對於自身的動能，由物理參量速度來度量；其二是相對於空間的勢能，由物理參量弛豫時間（頻率的倒數）來度量。

光子的特殊性在於，其質量非常小，以至於其能量的變化主要是相對於空間勢能的增減，由弛豫時間來反映。所以，光速只是光子維持其相對於空間勢能的速度，表現爲相對於空間的不變性。

於是，當光子離開恆星時，光子有一個由相對於恆星以速度c運動，轉變爲相對於空間以速度c運動的轉變過程。由此增加或減少的動能，會由光子的勢能予以調節，即表現爲頻率的變化。這就是光譜運動頻移的原理。

所以，正是恆星有節奏地頻率變化，使我們推斷出該恆星正在圍繞着另一顆恆星運動。由此，證明了光速不變現象，即光速與光源無關，僅與空間相關。

與雙星實驗相對應的是邁克爾遜-莫雷實驗，如圖所示。

邁克爾遜-莫雷光的干涉實驗

該實驗起初是爲了驗證地球是否拖拽以太空間。以太被認爲是與物質截然不同的物體，它是光線傳播的介質。如果在邁克爾遜-莫雷實驗中發現了週期性的干涉條紋移動，就說明地球在以太空間進行絕對運動，即所謂的裸行；如果該實驗的結果爲零，則說明地球拖着以太空間一起運行，兩者是同步的。

經過觀測，實驗的結果是沒有發現干涉條紋的移動。然而，由此就證明了以太空間隨着地球一起運動了嗎？此時下結論，還爲時尚早。由於地球不可能拖着整個空間運動，當離開地面時，以太空間會逐步脫離地球的控制，從而產生以太風。

於是，邁克爾遜和莫雷將實驗裝置搬到了高山上，期望因遠離地面而發現光的干涉條紋的變動。然而，遺憾的是他們仍然沒有看到干涉條紋的變化。於是，經典力學的以太觀陷入了絕境，以太空間既不隨地球運動，也沒有發現以太風的存在。於是，人們由邁克爾遜-莫雷實驗得出的結論是，光速僅與光源相關，而與空間無關。

於是，就像本文的開始提到的那個神秘裝置一樣，光速也呈現出了矛盾的現象。在雙星實驗中，光速與空間相關，與光源無關；在邁克爾遜-莫雷實驗中，則是光速與光源相關，與空間無關。同樣的宇宙，同樣的光線，爲什麼會呈現出如此截然不同的現象呢？

對此，有兩種不同的認識方法。第一種方法是歸納法，從各種現象中找出具有共性的規律，並將該規律應用於整個宇宙。第二種方法是演繹法，即建立一個具體的物理機制，使各種不同的現象僅只是該機制在不同的極限情況下的不同表現。

就那個神秘裝置而言，如果用歸納法，我們可以提出一個原理，規定該裝置同時既具有可入性又具有不可入性。於是，矛盾被消除了。只是留下了一個更大的問題，使該裝置更具神秘的色彩，即爲什麼該裝置同時具有截然相反的性質呢？

如果用演繹法，我們可以假設該裝置是一臺電扇，決定電扇性質的因素是子彈與扇葉的速度之比。該比值遠大於1時，電扇具有可入性；比值遠小於1時，則電扇具有不可入性。通過具體的物理機制，將不同的現象分隔在不同的情況。於是，在時間上阻斷了矛盾現象的出現，從而化解了矛盾。於是，理解了爲什麼宇宙呈現在我們面前的是各種紛亂不一的世界，是因爲同一個物理機制在不同的極限情況下具有的不同表現。於是，我們獲得了一個統一的認識，使現實的世界呈現出有機的統一性。

對此，當遇到矛盾的現象時，許多人都會說他們肯定會採用第二種方法來化解矛盾，只有傻子纔會使用第一種方法，認爲那只是一種掩耳盜鈴的愚蠢做法。然而，事實上不僅有人採用第一種方法，而且該方法的使用還是非常必要的。

因爲，構建一個合適的物理機制，是一件很困難的事情。只有建築於獲取足夠信息的基礎上，構建適當的物理機制纔是有可能實現的。因而，在採用演繹法之前，首先需要我們運用歸納法，找出不同現象之間的外在聯繫。

對於光速變化的矛盾現象，愛因斯坦就是採用歸納的方法予以解決的。他認爲，既然光的矛盾現象是存在的，那麼我們就把這一矛盾的現象視作宇宙的基本規律，以此來消除矛盾。於是，愛因斯坦提出了光速不變原理，認爲在任何參照系上觀測到的光速都是一樣的。然而，不同速度的觀察者，面對同一光束，如何會測量出相同的速度呢？於是，爲了滿足光速不變原理，只好修改長度和時間的定義，以保證測量到的光速始終是光速c。這就好比是同一件事情，雖然可以用不同的語言講述，但他們表達的意思卻是不變的。

於是，愛因斯坦建立了狹義相對論，使我們有機會認識到物體在高速運動的情況下，其速度的增大會受到空間的限制，是不能超過光速的。狹義相對論是在高速領域關於空間效應的唯象型理論，建立了各種不同現象之間的外在聯繫。

當然，對於我們人類來說，只有這種唯象的理論是不夠的，我們仍然不知道爲什麼光速是不變的，不利於更進一步地深入研究光子的特性。

隨着人類認識的進一步發展，由於普朗克常數h的普遍存在，由於各種微觀粒子都具有波動性，說明在我們的宇宙中存在着不可再分的最小粒子（由此命名爲量子），說明我們的宇宙是由量子構成的。由此，形成了一個有機的量子宇宙觀：

離散的基態量子構成空間，受到激發的量子成爲光子，由高能量子組成的封閉體系就是物質。

於是，根據量子的物理機制，運用演繹的方法，使我們理解了上述兩個關於光速實驗的矛盾結果。由於光速是光子維持其相對於空間勢能的速度，因此光速相對於量子空間具有不變性。

當量子受到激發成爲光子時，其速度首先服從光源的內空間，相對於光源以速度c運動，屬於邁克爾遜-莫雷實驗的情況，即屬於短距離的極限情況；

當光子進入外部的量子空間時，光子通過與空間量子的碰撞，逐步改變其速度，以保持其相對於空間的速度不變性。由此引起的動能變化，會由光子的勢能予以補償，表現爲光的運動頻移。由此，逐步地過渡到雙星實驗的結果，光速不再與光源相關，光子轉變爲相對於空間以速度c運動。於是，藉助於量子的物理機制，由光子傳播的距離，將兩個矛盾的實驗分隔開來，從而避免了矛盾的出現。

這就是我們用電扇的物理機制化解神秘裝置的做法。作爲引申，我們可以將宇宙中的各種不同的現象，都可以歸結爲量子及其不同狀態的變化，歸結爲量子空間的破缺（不對稱碰撞）。

總之，雖然雙星實驗和邁克爾遜-莫雷實驗呈現出來的是矛盾的現象，但是我們可以以此爲契機，構建一個具體的物理機制，將矛盾的現象分隔在不同的極限情況。由此，我們運用演繹的方法，將獲得的物理機制應用於宇宙的方方面面，使我們獲得一個統一的認識。

結合量子力學的發展，我們有理由相信，可以通過量子的物理機制來認識我們的宇宙。