解读迈克尔逊莫雷实验，光速为什么是不变的？

有这样一种神秘的装置，在某些情况下，子弹可以轻松穿过，显示出它的可穿透性；而另一些时候，同样的子弹又被反弹回来，显示了它的不可侵入性。

这不禁让人好奇，为何同样的一个物体竟能展现出两种截然不同的特性？若将此疑问投射至自然界，我们又如何解释大千世界中各式各样的物质所表现出的性质之千差万别？面对这个充满变化和混乱的世界，我们该如何去理解和梳理这些杂乱无章的现象？

在经典力学的领域内，天文学上就有两种实验呈现出明显的矛盾。其一是双星实验，其二是迈克尔逊-莫雷实验。

在宇宙的广阔天地里，不同于太阳系，双星系统是一个普遍存在的现象。这是因为在星云收缩的过程中，会自然形成两个质量较大的中心，进而形成两个相互绕转的恒星系统，它们的质量中心成为环绕的中心。由于质量分布的不平衡，小质量的恒星会围绕大质量的恒星旋转。就如同地球围绕太阳公转一样，区别在于那个“公转的恒星”是发光的，使我们得以对它进行观察。更有趣的是，有时这个恒星的光谱会显示出红移，有时又显示出蓝移。这背后的原因是什么？

由于光具有频移效应，我们观察到的星光频率变化意味着那个恒星正以周期性的方式靠近或远离我们。这意味着，该恒星正在围绕某个中心进行公转。

我们的宇宙是一个整体的系统，由作为物质的实体和作为背景的空间共同组成。因此，不存在完全独立和自由的物体。任何物体的能量都分为两种形式，一种是相对于自身运动的动能，由速度来度量；另一种是相对于空间的势能，由弛豫时间（即频率的倒数）来度量。

光子的特殊之处在于，它的质量极小，因此它的能量变化主要体现在空间势能上，这一变化通过弛豫时间体现出来。因此，光速仅表示光子保持其相对于空间势能所需的速度，反映出光速在空间中的不变性。

因此，当光子离开恒星时，会经历一个从以速度c运动于恒星到以速度c运动于空间的转变过程。由此产生的动能或势能变化，会导致频率的改变，这就是我们观察到的光谱频移的原理。

正是因为恒星频率的周期性变化，使我们推断出它正围绕另一颗恒星运动。由此，我们证实了光速不变的原理，也就是说，光速仅与空间相关，而与光源无关。

与双星实验相对应的是迈克尔逊-莫雷实验。实验起初是为了验证地球是否拖拽着以太空间。以太被认为是与物质不同的一种媒介，光线正是通过它传播。如果迈克尔逊-莫雷实验观察到周期性的干涉条纹移动，那就意味着地球在以太空间中有绝对运动；如果实验结果为零，则意味着地球与以太同步移动。

然而，实验结果并未发现干涉条纹的移动。这难道就意味着以太空间随着地球一起移动了吗？我们还未下定论。毕竟，地球不可能拖着整个空间运动，一旦离开地面，以太空间会逐渐脱离地球的影响，形成以太风。

因此，迈克尔逊和莫雷将实验搬到了高山上，期待能够观察到由于高度变化而导致的光的干涉条纹变化。遗憾的是，他们依旧没有观察到任何变化。于是，经典力学的以太理论陷入了困境。以太空间既不跟随地球移动，也没有以太风的存在。因此，人们从迈克尔逊-莫雷实验得出的结论是，光速仅与光源有关，与空间无关。

如此看来，就像文章开头提到的那个神秘装置一样，光速也展现出了矛盾的一面。在双星实验中，光速与空间相关，与光源无关；而在迈克尔逊-莫雷实验中，光速与光源相关，与空间无关。为何在同样的宇宙中，同样的光线，会呈现出如此截然不同的现象？

对此，我们有两种认知方法。第一种是归纳法，从众多现象中寻找共性规律，并将其应用于整个宇宙。第二种是演绎法，即建立一个具体的物理机制，使得不同现象仅是该机制在不同极限条件下的不同表现形式。

就神秘装置而言，若使用归纳法，我们可以提出一个原理，声明该装置同时具备可穿透性和不可侵入性。矛盾似乎消除了，但留下了一个更大的谜题，为何该装置具备如此截然不同的性质？

如果采用演绎法，我们可以假设该装置是一个电扇，其性质取决于子弹与扇叶速度的比值。当该比值远大于1时，电扇表现为可穿透性；而比值远小于1时，电扇则表现为不可侵入性。通过具体的物理机制，将不同现象隔离在不同条件下。如此，便在时间上避免了矛盾现象的出现，从而解决了矛盾。由此，我们理解了为何宇宙向我们展现的是各种混乱不一的世界，因为同样的物理机制在不同极限条件下表现出了不同的特征。因此，我们获得了统一的认识，使现实世界展现出了有序的统一性。

对于遇到矛盾现象的人们来说，许多人倾向于选择第二种方法解决矛盾，只有“傻子”才会选择第一种方法，认为那是自欺欺人的做法。然而，实际上不仅有人采用归纳法，而且这种方法在获取足够信息的基础上，构建适当的物理机制时，是必不可少的。因此，在应用演绎法之前，我们需要首先运用归纳法来找出不同现象之间的外在联系。

对于光速变化的矛盾现象，爱因斯坦采用了归纳法来解决。他认为，既然光的矛盾现象存在，那么就将这一矛盾视为宇宙的基本规律，以消除矛盾。因此，他提出了光速不变原理，认为在任何参照系上观测到的光速都是相同的。面对不同速度的观察者和同一束光，如何测得相同的速度？为了满足光速不变原理，就需要重新定义长度和时间，确保测得的光速始终是恒定的c。这就像是用不同语言讲述同一件事，尽管表达方式不同，但含义始终如一。

因此，爱因斯坦构建了狭义相对论，使我们有机会认识到物体在高速运动时，其速度的增加会受到空间的限制，不能超过光速。狭义相对论是关于空间效应的唯象理论，建立了不同现象之间的外在联系。

当然，对于我们人类来说，这种唯象的理论并不足够，我们仍不知道为什么光速是不变的，这不利于我们深入研究光子的特性。

随着人类认识的发展，普朗克常数h的普遍存在，以及各种微观粒子的波动性，都表明我们的宇宙由不可再分的最小粒子（量子）构成。由此，形成了一个有机的量子宇宙观：

离散的基态量子构建了空间，受到激发的量子成为光子，由高能量子组成的封闭体系便是物质。

根据量子的物理机制，运用演绎法，我们理解了上述两个关于光速的实验矛盾。由于光速是光子保持其相对于空间势能的速度，因此光速相对于量子空间是恒定的。

当量子受到激发成为光子时，其速度首先服从于光源的内空间，相对于光源以速度c运动，这属于迈克尔逊-莫雷实验的情况，即短距离的极限情况；

当光子进入外部的量子空间时，光子通过与空间量子的碰撞，逐步改变其速度，保持其相对于空间的速度恒定。由此引发的动能变化，由光子的势能补偿，表现为光的运动频移。这就逐步过渡到了双星实验的结果，光速不再与光源相关，光子转变为相对于空间以速度c运动。因此，借助量子的物理机制和光子传播的距离，将两个矛盾的实验分隔开来，避免了矛盾的出现。

这就是我们用电扇的物理机制来解决神秘装置问题的做法。作为引申，我们可以将宇宙中的各种不同现象，都归结为量子及其不同状态的变化，归结为量子空间的破缺（不对称碰撞）。

综上所述，尽管双星实验和迈克尔逊-莫雷实验呈现出矛盾的现象，但我们可以以此为契机，构建具体的物理机制，将矛盾的现象分隔在不同的极限条件下。因此，我们运用演绎的方法，将获得的物理机制应用于宇宙的各个方面，使我们获得了统一的认识。