§4-4　光速与观察者的运动无关

在上一节中，我们知道光速与光源的运动无关。那么如果光源不动，观察者相对光源运动，观察者观察到的光速会如何变化呢？

两艘宇宙飞船在星际空间中做自由运动，这两艘飞船是对等的，人们无法区分两艘飞船哪一艘是运动哪一艘是静止的。如图4-34所示，假设在两艘飞船上分别有甲、乙两个观察者。甲相对其所在的飞船惯性系K保持静止状态。乙相对自身所在的飞船惯性系K′也保持静止状态。乙相对K系或者甲以1万千米/秒的速度向前运动。K系中有两个静止光源A和B分别位于乙的前方和后方向乙发出光线。相对A，乙做靠近光源运动；相对B，乙做远离光源运动。

图4-34　静止与运动的观察者

在甲看来，光源A和光源B发出的光相对甲的速度都是30万千米/秒，而光源A发出的光相对乙的速度变快了，变为31万千米/秒，光源B发出的光相对乙的速度变慢了，变为29万千米/秒。于是甲认为乙观察到A发出的光的速度是31万千米/秒，B发出的光的速度是29万千米/秒。

但是根据子非鱼思想，“子非鱼，安知鱼之乐”，甲不是乙，怎么能用自己的观察代替乙的观察呢？甲的观测结果并不能代表乙的观测结果，二者完全有可能是不一样的。那么乙观察到光源A, B发出的光速是多少呢？

根据相对性原理，两艘飞船上的物理定律是一样的。在K系中光速与光源的运动无关，在K′系中光速也与光源的运动无关。因此在乙看来，尽管光源A在朝向乙运动，光源B在远离乙运动，但是光源A和光源B发出的光在惯性系K′中具有相同的速度，这一速度是固定的，由电磁学规律决定，与A, B的运动速度无关。

甲和乙观察到的光速都是固定值，那么这两个固定值是否相等呢？根据麦克斯韦的电磁理论，电磁波在真空中的传播速度≈3.0×10 8米/秒，其中μ0=4π×10-7牛顿/安培2为真空磁导率，ε0≈8.8541878818×10-12库仑2/（牛顿·米2）为真空介电常数，这个速度c是一个普适常数。惯性系K和K′中具有相同的电磁学规律，必然具有同样的光速。

按照子非鱼思想，两个惯性系中的光速也可以不同。在第六章我们将看到两个惯性系中如果有不同的光速，它们之间的时空变换将出现两个光速，且两个惯性系间相互观察对方远离的速度也将不同，这增加了不必要的复杂性。这种不同只是单位制的不同，可以通过适当定义时间和长度的单位来消除。现代国际单位制规定铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁对应辐射的8192631770个周期的持续时间定义为1秒，定义1米为光在真空中于（1/299792458）秒内行进的距离，这样通过单位制的约定，在任一惯性系中，光在真空中的速度都是299792458米/秒。在天文学中时间以年为单位，距离以光年为单位，光速的大小就是1（光年/年）。

在乙看来，A和B是运动的光源，其发出的光速与光源的运动速度无关。在甲看来，A和B是静止的光源，而乙以1万千米/秒的速度向前运动，是一个运动的观察者。因此，真空中的光速与光源的运动速度没有关系，同时与观察者的运动速度也没有关系，这是由相对性原理和电磁学规律决定的。（根据电磁学理论，光速与光源的运动无关；根据相对性原理，不同的惯性系内具有相同的光速）

我们在上一节中用声波和水波的类比说明了在静止媒介中波速与波源的运动速度无关。但是当观察者运动时，会观察到声波和水波的速度发生变化。这一类比不再适用于光波的情形。因为当观察者运动时，声波和水波的媒介（空气和水）并没有和观察者一起运动，运动与静止的观察者所处环境并不对等。而光作为电磁波在真空中靠自身传播，并不需要媒介，真空惯性系中运动与静止的观察者在物理上所处环境是平等和对称的，两个观察者都会观察到固定的光速。

很多人可以接受光速与光源的运动速度无关，却难以接受光速与观察者的运动速度无关，主要是因为还在用绝对时空观思考问题，不能把甲对乙的观察结果与乙自己的观察结果区分开来。天气变暖了，人们都换上薄衣服，一个小男孩问一个小女孩：“你怎么还穿着羽绒服？”小女孩无奈地说：“有一种冷叫你妈觉得你冷！”，这个生活故事很能说明道理。