杭州股票配资深度科普；光速与任何速度叠加之后仍旧是光速，为何会这样？

人类，就是在这个问题的驱使下杭州股票配资，不经意间步入了未知的领域。这片领域的一切似乎都在考验我们的理性，让我们长久以来的“常理”——或者说，我们几千年来建立的“幻想”——关于时空的理解，或许不过是自欺欺人的误导。

然而，我们如今瞥见了时空之谜的一缕真相；无奈我们的能力所限，能够触及的领域少得可怜；而且，生活在低速、宏观世界的我们，对于那些高速、微观世界的体验，根本无法直接感受。

我们可以打个不恰当的比方，这就好比一张图片的原稿与它经过傅里叶变换后的向量阵列的比较：

左边的图像是我们肉眼所能识别的，也可以说是空间色点所构成的点阵；而中间则是频谱形式的点阵图——人类的眼睛无法从右侧的两幅图中获取有效的视觉信息；但通过计算机的数学变换，右侧的数字点阵可以转变为我们能够识别的图像。

这一原理，是音频、视频压缩，以及计算机图形图像处理的基础。当然，不必担忧，这只是个例子，帮助你理解“为何探索这个领域如此艰难”。这里不涉及数学知识，而且傅里叶变换这一级别的数学工具也远不足以帮助我们理解时空的特性。

为了解时空的独特性质，我们不妨从熟悉的现象谈起。

声音，我们自然都不陌生，不是吗？在中学我们就已经学过，声音本质上是空气中传播的机械波。

具体来讲是这样的：

1、声源的振动对空气施加了压力

2、这种压力影响到了声源振膜/弦前方的空气分子（以下简称分子）

3、由于分子的质量与惯性，振膜前方的一层空气分子被迫首先移动

4、当这层空气分子获得速度后，由于惯性，它们会将动量传递给更远的分子，而自身则失去能量；仿佛这个牛顿摆的状态：

在宏观层面上，大量气体分子在声源前瞬间被“压缩”后迅速恢复原状；与此同时，能量迅速传向远处，导致路径上的“空气层”被“压缩”（获得动量），随后能量继续传递，而分子则恢复原状。

5、相似的，当振膜向后移动时，振膜前空气层的压力降低，导致空气自发膨胀、密度下降；其他空气分子则会过来“填补”，这一效应迅速传到远方。

6、振膜的反复震动，产生了疏密相间的机械波（纵波）；而我们耳朵的鼓膜随之震动，便产生了声音。

一旦我们明白了声波的实质，便能推导出声速的公式。具体的推导过程在这里不再赘述，你只需要知道，在介质的密度、体积弹性模量固定后，其中的声速便是一个定值。

请注意，这个公式不仅适用于空气，水、钢铁等物质亦遵循这一规律。

请特别注意这句话：一旦介质的密度、体积弹性模量确定，声速便固定不变。

因此，在高铁或飞机上唱歌，歌声传播的速度依旧是空气中的声速，不会与高铁或飞机的速度叠加——即使你乘坐超音速飞机，歌声依旧以声速传播。

然而，由于声源的高速移动，声源朝向听者移动时，声音的音调听起来变高，低沉的“呜”声变成了高亢的“哇”声；而声源远离听者时，音调变低，“呜”声变得像更低沉的“嗡”——火车的汽笛声就是最鲜明的例证。

相似地，光也是一种波（电磁波），其速度只与介质的磁导率和介电常数相关；在真空中，这两个常数恒定，因此光速也不变。

这便是“为何光速与任何速度相加，得到的仍是光速”的答案。

当然，如同声音一样，当光源迅速接近我们时，其发出的光的频率会升高，导致原子谱线向可见光光谱中的蓝色端移动，故称“蓝移”；相反，当光源迅速远离我们时，其发出的光的原子谱线则会向红色端移动，称之为“红移”。光源相对于我们的速度越快，红移或蓝移的幅度就越大。

所谓的“光谱”，是将日光、星光或白炽灯、钠灯、水银灯等发出的可见光透过三棱镜投射到幕布上；由于折射率不同，不同频率的光形成一条光带，从红光到紫光依次排列：

而所谓的原子谱线，是因为不同的原子会吸收或发射不同频率的光，例如在燃烧时发出的五颜六色的光。将这种光透过三棱镜，会发现其光谱呈现几条整齐的竖线（因为只发射特定频率的光，即发射光谱）；同时，当白光穿过某种原子组成的较冷蒸汽时，会在光谱中形成黑色的竖线（这是吸收光谱）——通过这些谱线，我们可以了解遥远星体的元素构成；通过测量这些谱线与实验室或太阳光中相同元素谱线的频率差异，可以推算出遥远天体相对于我们的移动速度。

光谱的研究也曾经是地球物理学发展的重要因素。关于它的研究直接导致了“量子”这一概念的诞生——这与我们的主题无关，在此不作深入探讨。

能够看出，声音在空气中传播的原理，与光的传播并没有什么不同。那么，顺着这个思路，一个新的问题浮现在眼前：空气是声音的媒介，光的媒介又是什么呢？

让我们沉思一下，空气虽然看不见摸不着，但我们都知道确实存在；而光，即便在无空气的“真空”中，依然能够传播。那么，“真空”之中，肯定也有一种极其细微的物质存在，正是它负责传递光，对不对？

科学家们将这种难以察觉的物质命名为“以太”。这样，声音通过空气传播，光通过以太传播，一切似乎都有了合理的解释，就如同猫追老鼠、奥特曼战胜小怪兽一样，世界因此而井然有序。

我们对空气和声音已经非常熟悉。试想一下，在火车上，旁边的铁道上若有人吹喇叭，你会注意到什么？没错，运动是有相对性的，因此声音的频率也会随之变化。尽管空气中的声速是固定的，但我们的运动状态却会影响我们听到的声音。当我们朝吹喇叭的人移动时，声音会更快到达我们的耳朵；反之，则需要一段时间去追上移动中的火车。换言之，在上述情况下，声波抵达我们所走过的路径长度是不同的。

现在，让我们站在地面上，迎着风。我吹响喇叭，你来聆听；之后你也吹喇叭，换我来听。会发生什么？答案很简单：顺风时，喇叭声会更快地传来；逆风时，声音则会慢一些。也就是说，尽管声速相对于介质是恒定的，且与声源的速度无关，但介质本身的运动会“携带”声波一起移动。换句话说，介质的运动速度与声速是叠加的。

很容易想到，如果光需要以太来传播，那么……地球围绕太阳旋转，与以太之间必然会产生相对运动，就如同火车在空气中穿行一样。既然以太与地球之间存在相对速度，那么，就像我们测量不同方向的声音传播速度以测出风速那样，我们是否也能用相同的方法测量“以太风”的速度呢？

这就是著名的迈克尔逊-莫雷实验，人们普遍相信，通过这个实验，我们能够“捕捉”到以太。然而，实验结果却令人惊讶：地球与以太之间并没有相对速度！

这意味着，我们必须在以下两个事实中做出选择：

1、地球是宇宙的中心，是唯一不动的天体。但傅科摆已证明地球在自转。

2、不存在以太，而光速对于任何物体都是恒定的。

显然，第一个选择是不正确的，因为有太多的反例。但第二个选择又似乎太过于“违反直觉”：如果没有以太，那光是如何传播的呢？

于是，一些人开始提出修正案：以太仍然是存在的，只是它的性质非常特殊……然后，他们引入了一堆复杂的公式。然而，这些公式需要许多假设，并且只在特定的场景下适用。唯独洛伦兹给出的“洛伦兹变换”能够完美地解决所有问题——但问题在于，没人知道为什么以太的性质必须如此特殊，以至于我们必须使用洛伦兹变换来计算速度的合成。

最后，爱因斯坦站了出来：“别瞎猜了！让我们承认以太不存在，光速相对于任何物体都是恒定的，看看会发生什么！”结果，他推导出了洛伦兹变换。现在，事情变得更加复杂了，对吧？

设想一下，如果我们以光速移动，那么所有物体相对于我们的速度都是光速——你知道这意味着什么吗？这意味着整个宇宙都是静止的！我们可以无需时间便穿越整个宇宙——它可能有930亿光年那么宽广；通常，我们需要930亿年才能穿越它；但按照爱因斯坦的说法，光速相对于任何物体都是恒定的；那么，在这930亿年里，整个宇宙中的每一颗星球、每一个原子都必须是静止的！一旦它们动了，有了相对速度，那么必然有些物质相对于我们的速度不是光速，对吧？

这看起来荒谬至极。

但爱因斯坦说：“你理解错了。问题的关键在于，信息传播的速度上限就是光速。因此，我们对时间和空间的理解必须做出调整。”

还记得我们的火车实验吗？如果你在一列火车上，我在另一列火车上，我们的速度都是0.5倍光速，并且我们正相对而行——那么，你发出的电报只能以光速传给我。也就是说，无论我们采用何种技术手段进行通讯，速度都只能是光速。

我们通过光（电磁波）进行探测，按照固定的时间间隔发送位置信息（或者通过反射回来的电磁波推算位置）。通过整合这些探测数据，我们可以计算出我们之间的相对速度——结果，你会发现，我们的相对速度并非光速，而是“洛伦兹变换”所计算出的0.8倍光速。

但相对的，你会发现我的飞船上的时钟变慢了——与空气中的情况不同，我每秒钟吹一声喇叭，对你来说，喇叭声间隔总是1秒；速度是线性叠加的。而在相对论中，速度的叠加是非线性的，遵循洛伦兹变换；因此，两个物体的相对速度无论如何都达不到光速——相应地，移动的时钟变慢，移动的杆子（在移动方向上）缩短，移动物体的质量增加。

这个话题可能稍微有些复杂，不实际去计算一下，很难完全理解。

让我们深入探讨一下爱因斯坦那令人着迷的“火车思想实验”：设想你站在一个飞驰的火车上，它长1000米，恰好位于火车的中央。车头和车尾各有一个发光装置，能够同时发光。