爱因斯坦说真空光速不变意味着啥？这么做有什么问题吗？还真有

　　本文旨在探讨广义相对论中的一个立论基础广义光速不变原理的一个最大问题：约定真空中光速c为常数的一个最大问题在于，缺乏大尺度的空间实验和观测数据的支持。光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的，并为迈克尔逊莫雷实验所证实。相对于宇宙空间的庞大尺度来说，这个实验只是一个局域性的实验，并不能作为以星系尺度为基础的大空间范围内的实验证明。
　　迈克尔逊莫雷实验原理图
　　光速不变原理是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一。在广义相对论中，由于所谓惯性参照系不再存在，爱因斯坦引入了广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。这也使得光速不变原理可以应用到所有参考系中。
　　爱因斯坦的相对论取得了很大的成功，越来越多实验观测的事实支持相对论的预言，然而作为相对论的基本出发点光速不变原理直至今仍有很多人不愿意接受是有理由的。毕竟，物理学的研究是以实验和观测数据为基础的，爱因斯坦直接把光速不变作为前提，给科学开了一个以假想为前提的不好的头（隐含前提不算），为现代物理学埋下了一颗定时炸弹。老郭且不谈光速是否不变，只跟各位小伙伴探讨一下真空中光速为常数c的物理意义。
　　首先，约定真空中光速c为常数，相当于要求时间的均匀性。作为物理学研究的的基础物理量之一的时间，必须是可以测量的东西，如果时间不能被测量，那么它就不能成为科学的对象。我们现在测量时间的方法就是利用物质的周期性运动，并且假定这种周期性运动的每个周期都是相等的。如果不假定每个周期运动的每个周期都相当，那么就无法对时间进行测量。之所以会出现这样的困境，是因为时间跟空间不同，时间一去不复返，我们没有办法吧周期运动的一个周期移动到另一个周期去进行比较，所以我们只能依靠约定，只有约定了某种周期运动的各个周期相等，我们才能去测量时间。
　　其次，约定真空中光速c为常数，相当于要求空间的均匀性。18世纪的数学家欧拉提出：可以用运动定律来确认周期运动的各个周期相等。如果某个给定的循环过程为单位时间，而发现牛顿第一定律成立的话，这个过程就是周期的。即每次循环都经历相同的时间，或者说各个时间周期相等。然而，相对论诞生以后，人们发现，不仅时间测量有问题，空间测量也存在问题，一根相同的尺在不同地方，长度是否一样，尺子在运动过程中长度会不会改变都成了需要深思的问题。
　　第三，约定真空中光速c为常数，相当于解决了异地时钟的校准问题。时间的同步问题和相继时间段的测量是研究时间中的最重要问题。爱因斯坦在建立相对论的过程中，通过真空中光速各向同性，而且是一个常数，从而定义了异地时钟的同时。爱因斯坦的广义光速不变性不要求有一个同时面的存在，但在全时空中可以有统一的钟速，所以在艾因斯坦的相对论中，所有异地时钟的钟速是同步的。
　　第四，约定真空中光速c为常数，我们就能定义两个持续时间段的相等。通过这样的定义使得我们在实验和观测上有可操作性。相对论中对于纯空间距离的测量实际上是依据对光速的约定，用标准钟测得的。相对论中用来测量空间距离的工具是钟而不是尺。因此，解决了时间测量的问题也就同时解决了空间测量的问题。
　　从上面的分析我们可以得知，约定光速和约定时空的对称性是等价的。然而问题就在这里产生了，并不是所有的时空都是满足彭加莱对称的，有引力场的时空并不具有整体的彭加莱对称性。约定真空中光速c为常数的一个最大问题在于，缺乏大尺度的空间实验和观测数据的支持。我们以前解释的迈克尔逊莫雷实验也只是一个在小空间内所做的光速不变实验验证。
　　光速不变性原理的最大价值在于，它保证了局域性测量具有实在的物理意义。如果不做这样的约定，我们所有的物理测量和研究都无法开启，只要我们约定局部光速不变，约定光速在每一时空点的邻域均匀各向同性，而且是一个常数c，就保证了时空的局域均匀性，即彭加莱空间对称性。
　　有没有其它的物理理论研究过时间的问题呢？能不能验证爱因斯坦关于时间的解释呢？其实是有的，这就是热力学四定律。
　　热力学第零定律关于热平衡具有传递性的定律是热力学中定义温度的基础，这条定律等价于时钟同步的传递性。
　　热力学第一定律（能量守恒定律）显示出时间的均匀性。
　　热力学第二定律显示的是时间箭头，即时间的不可逆性与流逝性。
　　热力学第三定律保证的是时间的无始无终性（老郭在前面的文章《时间有开始和结束吗？奇性定理告诉我们，还真有》里探讨过的奇性定理的困难可能与违背热力学第三定律有关）。
　　物理学最后迟早要面对这些假定背后的的真实性问题。这些隐含在我们今天物理学基础中的假定的实在意义，必将随着人类探索宇宙空间能力的增加得到更深刻的真相。爱因斯坦发表相对论的时候，并没有发现宇宙微波辐射，也没有发现宇宙学红移现象，如果爱因斯坦知道即使光速相对于光源速度不变，但是光的波长（频率）会发生变化，他老人家还会不会提出光速不变这个假设。
　　我是郭哥论道，一个致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学，让深奥的科学理论通俗易懂起来、让科学更有趣、更有料的科普搬运工。耐心看完的小伙伴，留个言、点个赞加个关注再走呗。