本文的論述都是依據以下兩個基本原理：

原理1：在所有慣性系中光在真空中的速度都等於299,792,458米每秒。

原理2：在所有慣性系中，物理定律完全相同。

要理解光速不變原理，首先要認清光的本質是一種波粒二象性的電磁波，光即是粒子也是一種波，而電磁波的速度是由麥克斯韋推算出來的，是由介電常數和磁導率乘積後的倒數，在不同的介質，介電常數和磁導率有些差別，但在真空中就是恒定不變的常數，經過推算在真空中電磁波最大的速度就是光速（299,792,458米每秒），隻要介電常數和磁導率不變，意味著真空的光速恒定不變。

聲波是一種機械波，以340米每秒（相對地面的速度）在天空飛行的音速飛機，發動機發出的聲波速度為340米每秒，聲波是在空氣中傳播的，它的速度是相對於空氣來說的，要算出聲波相對於觀測者的速度，首先要算出觀測者與空氣的相對速度，然後再與340米每秒的速度進行合成，才得到聲波相對觀測者的速度，例如：如果空氣沒有流動，地面站著的人與空氣處於靜止狀態，那麼人觀測到聲波的速度就是340米每秒，如果空氣相對人以每秒10米的速度流動，那麼順風方向擴散的聲波相對人的速度就是350米每秒，逆風方向擴展的聲波相對人的速度就是330米每秒，因此，聲波的速度與聲源（飛機）無關，無論飛機速度多快多慢都不用考慮，隻是考慮傳播的介質與觀測者的相對速度，然後與340米每秒進行速度加減合成。如果要計算飛機與聲波的相對速度，也是一樣的道理，先測出飛機與空氣的相對速度，如果飛機與空氣的相對速度為340米每秒，那麼飛機與相同方向的聲波相對速度為0是處於靜止的狀態，聲波就一直停留在飛機身上，形成我們所熟悉的聲爆效果。

水波也是一種機械波，蜻蜓點水大傢最熟悉不過瞭，地面的人觀測水波的傳播速度與蜻蜓的飛行速度無關，也是先算出人相對水面的速度，再算出水波相對水的速度，然後進行速度合成就得出人相對水波的速度。

機械波與電磁波有個共同點，就是波的速度與波源無關，而不同點就需要深入探討以區分開來，機械波可以通過傳播介質與波的相對速度，以及觀測者與傳播介質的相對速度，進行合成得出觀測者相對波的速度，處於不同運動狀態的觀測者觀測到的機械波的速度就是不同的，就如飛機觀測到聲波相對自己是靜止的，而地面的人觀測到聲波（空氣不流動）相對自己是340米每秒。

現在我們進一步討論真空中電磁波的速度，試著以計算機械波的方式，首先計算出觀測者相對傳播介質的速度，然後算出傳播介質相對電磁波的速度，再對兩者的速度進行加減合成，從而得出電磁波相對觀測者的速度。現在問題就出來瞭，真空中電磁波的傳播介質是什麼？牛頓為瞭符合自己的力學速度疊加，把以太作為介質添加進來，有瞭傳播介質，結論也就和機械波一樣，處於不同運動狀態的觀測者觀測到的電磁波的速度就是不同的。可惜，後來邁克莫雷的實驗把以太否定瞭，實驗證實以太就是不存在，此結論一出來，物理學傢們更加傷腦筋瞭，如果傳播介質找不出來，麥克斯韋算出的電磁波速度（約30萬公裡每秒）是相對誰的？我站在地面不動，他在跑步，飛機在飛行，我、他、乘客看到電磁波的速度都是一樣的？愛因斯坦說：“沒錯，都是一樣的。”這就是電磁波和機械波的重要不同之處。或許有人猜想把真空作為電磁波的傳播介質，算出電磁波相對真空的速度約是30萬公裡每秒，然後再算出各個觀測者相對真空的速度，不就是可以套用計算機械波的方法，算出電磁波相對於各個觀測者的速度瞭麼？那麼又面臨一個難題，各個觀測者相對於真空的速度是多少？在宇宙飛行的飛船裡的人看著飄渺無邊的太空，怎麼測量飛船與真空的速度？測不出隻能認定為0瞭，同理，其它各個觀測者與真空的相對速度也為0，那麼各個觀測者再把0與30萬公裡每秒進行合成也是一樣的數值，最終得出結論：無論各個觀測者之間是相對運動也好，相對靜止也好，看到真空中電磁波的速度不變，這就是光速不變原理。

& 1兩個事件是否同時發生以及發生的先後順序，從一個坐標系看來是同時的，而從其它運動著的坐標系看來，它們就不能再認為是同時的事件，而且先後順序也不同。

如圖：

設在地面上有一高速列車相對地面以V2勻速直線自東向西行駛，列車上載著小車，小車相對於列車以V1勻速直線向東邊行駛，V2 > V1，設小車上有觀測者S1，列車上（小車外）有觀測者S2，地面有觀測者S3，在小車頭部設一個A點，在尾部設一個B點，三個觀測者相對於各自的參考系是靜止的， 在小車的中間位置（AB兩點連成直線的中間位置）同時向AB兩點發射兩道光線， 關於光信號先到達A點還是B點的問題，三個觀測者得出不相同的結論。

對於S1觀測者來說，光源與A點、B點的距離是一樣的，毫無疑問是同時到達。可以用數學的方式進行表達，設光從光源到達A點的時間間隔為t1，光源到A點的距離為L，光從光源到達B點的時間間隔為t2，光源到B點的距離同樣為L，t1 = L/c，t2 = L/c，可以看出，在S1系裡，光到達兩邊的時間間隔是一樣的，所以同時到達。

對於S2觀測者來說小車向東邊以V1勻速行駛，B點在向東移動，與向西的這道光的方向相反，B點和光是相向移動重合到一起，A點向東方向移動，與向東的光線方向一致，A點是和光賽跑，被光追上重合到一起，那麼B點要比A點先接收到光信號。可以用數學的方式進行表達，設光從光源到達A點的時間為t1，光源到A點的距離為L，由於光追A，光走的路程減去A點移動的路程等於L，既：c×t1- V1×t1 = L，推出：t1=L/(c-V1)，設光從光源到達B點的時間為t2，光源到B點的距離為L，由於光和B點是相向運動，光走的路程加上B點移動的路程等於L，既：c×t2+V1×t2 = L，推出：t2=L/(c+V1)，由此得出：t1>t2，所以光先到達B點後到達A點。

對於地面上的S3觀測者來說，由於小車的速度小於高速列車，小車向西邊移動，速度為（V2-V1），S3系觀測到的結果剛好和S2系的結果相反，A點要比B點先接收到光信號，數學計算方法和S2系一樣，計算過程就省略瞭。

& 2定義“靜系”中的時間間隔

為瞭方便區別其它坐標系，我們把地面坐標系設為“靜系”，之後提到的靜系指的就是地面坐標系，設A點和B點相對於靜系是靜止的，連接A和B兩點成一條直線，並把這條直線制作成一根剛性的尺桿，這根尺桿相對於靜系也是靜止的，設在A、B各放一個時鐘，但並不知道這兩個鐘所走的刻度所花的時間是否相同，如果把兩個鐘放到一起同時，鐘的大小以及刻度是一樣的，就是比較指針走的速度，按我們默認的口令數到3開始在心裡計時，當A鐘的指針走瞭鐘面上一秒的刻度，而B鐘走瞭鐘面上超過一秒的刻度，這時我們並不能判斷出哪個時鐘才是“標準時間間隔”，或兩個鐘都無法體現我們所理想的“標準時間間隔”，那麼需要通過一些方式進行校正，就是通過光的路程除以光速定義出“標準時間間隔”，在A時間Ta1開始從A發出一道光線射向B，到達B時，B的時間為Tb1，並從B點反射到A點，這時A的時間為Ta2，再由A點反射到B點為終止，這時B的時間為Tb2，對於A來說，“Ta2-Ta1”為光走A、B兩點一個來回路程所需要的時間，光的路程除以光速就得到時間間隔既：2AB/ c，c為真空中的光速，2AB為A和B距離的2倍，隻需要調整“Ta2-Ta1”的值，並保持：Ta2-Ta1=2AB/ c，這樣就得到我們所理想的時間間隔，對於B來說光，“Tb2-Tb1”為光走A、B兩點一個來回路程所需要的時間，同樣校正為：Tb2-Tb1=2AB/ c，這樣就得到我們所理想的時間間隔。

以上校正的是兩個鐘走的時間間隔為相等的，而不是校正同步，就算不同步的情況下，時間間隔也保持相同，例如：A時鐘是從2點刻度開始走的，而B時鐘是從6點刻度開始走的，A鐘走到5點時，B鐘走到9點，那麼它們都走過瞭相等的3個小時。

& 3比較不同參考系裡的時間間隔

伽利略說過：“無法通過對船內事物的運動規律來判斷船是處於靜止狀態還是運動狀態。”這個觀點說明瞭在所有慣性系中，物理定律完全相同。我們把在& 2中定義的尺桿制作成兩根一模一樣，一根放在靜系，桿端用A、B兩點表示，另一根放在列車上，桿端用A1、B2兩點表示，A1點對應列車頭部，B2點對應列車尾部，兩端分別放著校正好的那兩個鐘，關上窗簾，列車緩慢啟動並加速到V後保持勻速直線行駛，整個行駛過程足夠平穩，在車內的觀測者無法通過列車的震動以及窗外物體的位置變化來判斷列車是處於靜止狀態還是運動狀態，列車上的觀測者以列車作為參考系來測試車內物體運動的情況，得到的結果和靜系是一樣的，與列車的行駛速度無關。

設有多名測試人員，分成C、D兩組，C組在列車內進行& 2中的校正實驗，D組留在靜系裡重復做& 2的校正實驗。為瞭方便比較，設C組尺桿兩端的鐘分別為A鐘、B鐘，D組尺桿兩端的鐘為A1鐘、B1鐘，並且這四個鐘是同步的。列車未啟動前，無論進行多少次校正實驗，這四個鐘始終保持同步的，當列車加速到V並保持勻速直線行駛時，根據狹義相對論的鐘慢效應，動的鐘要比靜的鐘走得慢，意味著之前保持同步的四個鐘變得不同步瞭，C組的鐘要比D組的鐘走得慢，但組裡的鐘還是保持同步的，C組A、B鐘保持同步，D組A1、B1鐘保持同步，在各自的參考系中，測量光經過尺桿兩端所經歷的時間間隔，C組測出的時間間隔讀數為：AB/c，AB為桿的長度，c為光速；D組測出的時間間隔讀數為：A1B2/c，A1B2為桿的長度，c為光速；對於各自的參考系，桿的長度不變，因此時間間隔數值是相同的，但要從靜系裡觀測列車系（動系）裡桿的長度以及時間間隔，還要把兩個慣性系互相關聯起來才得到我們所要的比較結果，就像西遊記中孫悟空在如來手掌翻瞭十萬八千裡和在地面翻瞭十萬八千裡，各自的數值是一樣的，隻是如來使用法術把孫悟空翻跟鬥的空間進行等比例縮小瞭，使得孫悟空在手掌裡測出的距離和他在地面測出的距離是一樣的數值，手掌外的觀測者把兩者的距離進行瞭變換，得出瞭有意義的比較，孫悟空翻的“十萬八千裡”等於手掌的長度，而這裡利用的就是洛倫茨變換，設靜系的時間間隔為t1，列車系（行駛速度為v）的時間間隔為t2，兩個者的關系為：

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c為光速，可以看出隨著v的增加，t2比t1按照一定比例減小，動系的鐘要比靜系的鐘慢，當靜系的光從A點出發，列車系的光從A1點出發，兩道光都是同時發出的，當靜系的光到達B點時，列車系的光還沒有到達B1點。

除瞭時間間隔不同，尺桿的長度也不同，根據尺縮效應，設靜系中測量尺桿的長度為L1，在靜系測量動系裡尺桿的長度為L2，它們之間的變換關系為：

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隨著v的增加，L2比L1按照一定的比例縮短，在靜系裡觀測運動著的尺桿要比靜系的尺桿短。

& 4存在因果關系的兩個事件，從因到果經歷的時間間隔，在不同的參考系也不相同，在一個參考系看來“果”還沒有發生，但在另一個參考系看來已經發生瞭。

在&1裡講述瞭“光信號到達A點”和“光信號到達B點”兩個事件，但這兩個事件之間並不存在因果關系，隻是與光源發射的事件存在因果關系，否則，在不同的參考系因果關系顛倒瞭，很明顯不符合目前的物理定律，因此，我們從諸多具有因果關系的事件裡抽出一個例子來說明，例如：光信號從A點出發，到達B點。從A點出發就是“因”，到達B點就是“果”，無論在哪個參考系因果關系都不能顛倒的，但是它們的時間間隔在不同的參考系看來是不同的。

如下圖為在列車上觀測光從A點射向B點的情況：

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對於列車上的觀測者來說，列車相對自己是靜止的，A、B兩點也是靜止的，AB之間的距離是固定的，光從A點到達B點的時間間隔為：t2=AB/c。

下圖為在地面上（靜系）觀測列車的運動情況：

列車的B端對應靜系坐標的0點，A端對應X坐標軸的x1點，當列車以勻速V的速度向X坐標軸方向行駛時，從A點向B點發射一道光線。

光到達B點時，靜系所經歷的時間間隔為：t1 = rAB/(c+v) ；r為洛倫茨因子，根據&3裡提到運動的桿產生尺縮效應，長度為原來在靜系的長度AB乘以r， rAB < AB，恢復為靜止狀態時，rAB = AB，“c+v”為B點和光互相靠近的速度，路程除以速度就是靜系裡觀測的時間間隔，這裡需要強調一下“c+v”並不代表著超光速，隻是針對第三方觀測而言，例如：兩道A光、B光互相對射，在雙方看來速度都是c，但我們（第三方）看來，A光和B光是以2倍光速在互相靠近，相遇的時間間隔當然是以總路程除以2倍光速來計算，計算光到達B點也是一樣的道理。

光從A點到達B點，靜系的時間間隔數值為：t1 = rAB/(c+v) ；列車系時間間隔數值為：t2=AB/c；兩個數值是在不同參考系測出的，要比較它們的長短，需要通過洛倫茨時間變換，把列車系的時間變換為靜系的時間，還有一種方法可以通過兩者的字面量數值進行比較，可分為幾種情況：

（1）t1和t2數值相等的情況下，t2要大於t1，例如：t1和t2的數值都等於1秒，由於列車系的時間膨脹，列車系的“1秒”大於靜系的“1秒”。就像目前的美元與人民幣，數值都是1元，隻需要知道美元的價值大於人民幣，就可以推出1美元價值大於1人民幣。

（2）t2的數值大於t1的情況下，t2也大於t1，例如：t1等於1秒，t2等於2秒，由於列車系的時間膨脹，列車系的“1秒”已經大於靜系的“1秒”，列車系的“2秒”當然大於靜系的“1秒”。就像目前的美元與人民幣，2美元大於1人民幣。

（3）t2的數值小於t1的情況，這個從推論上不好比較，隻能通過洛倫茨變換出等價的數值才方便進行比較，例如：t2等於1秒，t1等於2秒，列車系的“1秒”大於靜系的“1秒”，但靜系的數值為2秒，不是1秒，列車系的“1秒”未必大於靜系的“2秒”，那麼就得根據列車系的速度來衡量兩者的時間流逝比例。就像1美元與7人民幣，隻是知道美元的價值大於人民幣還不足成為比較的條件，還需要通過具體的匯率數值才能進行比較。

t1 = rAB/(c+v)；t2 = AB/c；這兩者的比較情況屬於以上的第（2）種情況，根據分子相同（不為0），分母大的分數小的規則，因為rAB < AB，c+v > c，所以t2 > t1。

通過以上比較得出：t2 > t1，靜系的時間間隔比較短，我們完全可以設定“因”是同步發生的，例如：光從A點出發，列車系A點的觀測者的鐘指針指向0時刻，恰巧在同一點上的靜系的鐘指針也指向0時刻，都是從0時刻起步，由於靜系的時間間隔比較短，在靜系裡觀測列車上的光到達B點時，在列車上B點的觀測者還沒觀測到光到達B點，光還在途中某個位置，如果列車速度很接近光速（達到0.999 999 999 c），這個效果更加明顯，根據尺縮效應，靜系看到列車長度（設在靜止時長度為30萬公裡）被壓縮到小於15公裡的長度，那麼光從A點到達B點幾乎是一瞬間的事情，而對列車上的觀測者而言AB的尺寸長度（30萬公裡）還是不變的，光到達B點需要經歷1秒（經變換等於靜系裡的6小時），當列車上B點的觀測者觀測光到達B點時，靜系的時間已經過瞭6個小時，對於靜系來說還沒到1秒就已經看到光到達B點瞭，時間差接近6個小時，由此看來，在一個參考系看來“果”還沒有發生，但在另一個參考系看來已經發生瞭。

假設在列車的尾部B端放置一個炸彈，上面捆綁著一隻老鼠和一顆海洋之心（鉆石），炸彈引爆的條件是接收到光信號，而在炸彈前的某一位置設置能按時間程序自動彈起來的一塊擋板，位置和時間點是根據列車的速度進行推算，當靜系看到光到達B點，時間為tB，而對於列車系B點觀測者來說光在途中的某個點B1，對應時間為tB1，當列車系看到光到達B點時，時間為tB2，擋板的位置就在B點和B1點之間，同理，彈起的時間點也設置在tB2和tB1之間的某一刻，那麼有趣的事情就發生瞭，光從A點射向B點，在列車上的觀測者看來，光到達B1點時，車廂上瞬間彈起擋板擋住瞭光的路線，光沒有能到達B點，炸彈沒有被引爆，而在靜系的觀測者看到卻是另一回事，擋板是來不及擋住光信號的，當擋板彈起來的時候，光信號已經到達B點瞭，那麼接下來的事情將不可避免地發生，炸彈被引爆，老鼠被炸得粉碎，海洋之心被炸飛到列車窗外，設車外有一個真空保護層使得海洋之心安全降速落到靜系的觀測者手裡，列車繼續勻速行駛一段時間後也降速到靜止狀態，回到靜止狀態的列車，上面的炸彈、老鼠、海洋之心安然無恙，而之前靜系的觀測者手裡卻多出瞭一顆海洋之心復制品，這是什麼回事呢？這也許是上帝在制作“遊戲”的時候出現瞭漏洞，被惡意的人類利用瞭，無中生有地創造瞭物質？

在整個過程中，出現瞭“炸彈爆炸”和“不爆炸”兩個事件，都是真實的發生瞭，如同尺縮效應原理一樣，在高速運動過程中，靜系觀測者看到處於運動系的人已經被壓扁瞭，而運動著的人在他看來一切正常，兩個不同的過程都是有效真實地發生瞭，隻有當動系的物體降速回到靜系以後，尺寸才恢復原樣，但炸彈爆炸的事件如何恢復到“安然無恙”的狀態，這個過程是難以想象的，因為沒有實驗，隻能通過個人猜測，列車在高速運動的過程中，假設速度接近光速，造成瞭時空分離，靜系觀測者觀測到的是對應自己所在時空的事件，而列車上的觀測者觀測到的是對應自己所在時空的事件，當減速下來時時空也重合在一起，在這個時空被炸毀的車尾由另一個時空“安然無恙”的車尾修補瞭過來，而其它未被損壞的共同部分重合。

年輕的時候在玩網絡遊戲，偶爾遇到一些玩傢利用遊戲的漏洞卡出各種極品裝備，利用的也是時間差導致的不同步現象，而上帝在創造宇宙的時候，是否也考慮過光速不變帶來的不同步現象，導致出現各種神奇的效果？歡迎路過的網友留下貴言，贊成與否也要發表意見，破解科學未解之謎，不勝感激。