发光不是扔石头，而是打水漂
我们都有这样的经验，如果站在飞驰的车上往外扔石头，顺着车行方向扔还是逆着车行方向扔有绝大不同。
顺着扔，石块出手速度得加上车的速度，那就要快得多。《趣味物理学》说，顺车行扔出去的西瓜，其动能相当于炮弹！只不过西瓜没炮弹那么结实罢了，否则能砸穿铁板！
而逆着扔，石块出手速度得减去车行速度，其破坏力就要柔和得多。如果扔出去的是一颗苹果，也许站在车后的人能徒手接住，成了礼物，如果扔出去的是鲜花，也许能打动姑娘的芳心。
上面这番道理，就叫做“速度相加原理”。
在物理学上有一个著名的实验——迈克尔孙、莫雷实验，是测光速的。看看顺着地球运动方向发出去的光，跟逆着地球运动发出去的光，速度有没有差别，差多少。结果发现顺着逆着全一样，跟地球运动没关系，物理学家全都大惑不解，地球不就是那辆车吗？光不就是那个扔出去的石块吗？怎么不遵从速度相加原理呢？而这就叫做“光速不变现象”。由这个现象出发，爱因斯坦建立了相对论。什么时钟变慢、双生子佯谬等等奇谈怪论全出来了。
当然，光速不变还有更深的另一层意思，这里就不讲了，只讲光为什么“不遵从速度相加原理”。
后来人们发现，其实从地球上顺着逆着发光，跟在车上顺着逆着扔石头，不是一码事。光线并非石头，它是一种波，凡是波都不遵从速度相加原理。怎么理解这事儿呢？还得用儿童游戏打水漂来打比方。
我们小时候（包括我老时候）都玩过打水漂这种游戏，选一块薄薄的石片，贴着水面用力甩出去，它可以在水面上一跳一跳飞出去老远，在水面上溅出一连串水波圈，我有一次在我们游泳的白湖打出了23跳的好成绩。
在一辆飞驰的车上有一盏灯在往外发光，其实跟这个游戏是一码事，跟着车一起移动的是什么？是那盏灯，或者叫光源，也就是波源在移动。
打水漂中，也同样是波源在运动，波源就是那个石片，它在每一点都激起一组波圈，但波圈在水中的传播速度却跟石片飞行速度并无关系，只要这个波激起来了，它就按照它自己的速度一圈圈往外传。
如果我们在水的上方垂直向下扔一个颗石子，也会激起一个水波，波纹有个固定的向外传播速度，形成一组同心圆。那么斜着飞来一颗石片，也会激起一个水波，波纹当然还是那个固定的速度向外传播，形成同心圆。
石片激起一连串波，而每一个激发点都是独立的，它都对应一组波圈，激发点之间并无联系，或者说每组波圈并无关系。
每组波圈都是独立的，不受前后各组波圈的影响
如果说波圈跟石片飞速有关，那它应该是椭圆的，但实际上它都是圆的，可见并不受石片速度影响。
水波的传播速度究竟跟什么有关？它只与水本身的性质和水深有关，与形成波的那个石片是直着扔进来，还是斜着飞进来，并无关系。你不管怎么扔，水波还是按照它自己的固定速度前进。
车上的这盏灯，道理也是一样。我们觉得它是一颗颗地往外发射光子，就跟扔石子一样。其实光子本质上就是光波，这盏灯只是不断地激发出一组组光波圈，激发之后，每组光波圈仍按照自己的速度向外传播，并不受光源移动的影响，因为下一组光波圈跟这一组已没有关系了。
或者这样说，随车移动的只是光源（或者说一个个激发点），并不是光波本身。
我们还可以这样举一个不太恰当的例子，比如一位高尔夫球手，面对一连串球位连续击球。先跑到第一个球位，击出一杆球，再跑到第二个球位，再击出一杆球，这样连续跑下去，击下去。假定他极其壮实，从来不累（比如机器人），不管跑多快，每击一球的力度始终保持一样大。那么你认为高尔夫球飞行的速度，跟他跑的速度有关系吗？当然没关系了。
显然，每一杆球只跟他挥杆速度有关，他跑的快慢并不影响挥杆快慢。他无论飞跑，还是站在那儿不动，击出的球都是一样速度。
水波、光波都是这个道理，激发点移动得再快，跟激发出的波并无关系。这位球手就是那盏灯，或者那个石片，而飞出去的高尔夫球就是光波、水波。
当然我说过，这个例子不是太恰当，用高尔夫球来比喻光波不大合适，因为这完全是两种物质，石片、球、分子等等都是实物，而光、水波、声波都不是实物，它是能量场。性质有本质不同。
我上面说了，水波的速度只与水本身的性质和水深有关。声波也是机械波，但它是纵波，所以它只与介质的压缩性（弹性模量E）和密度（ρ）有关，如果是不一样的介质，比如空气、水、油、石材、钢铁，声速都不一样。
那么光波的速度又取决于什么呢？我们知道光波实际上是电磁波，所以光速只与它所传播的介质的电磁性质有关，也就是介电常数ε和磁导率μ。光在空气中传播，与在玻璃中、石英晶体中、水中、油中传播的速度都不一样，这个速度只取决于空气、玻璃、水等等的介电系数和磁导率。它在真空中传播得最快，接近30万公里/秒。
综上，凡是波，其速度都只与介质的性质有关，与波源是静止还是运动，运动得快慢并无关系。
总之，高深莫测的“光速不变”，不遵从速度相加原理，其实并不神秘。实物跟场是完全不同的两种东西，车速跟光速这俩速度毫无关系，加不到一块去。只有实物的速度才能相加。实物的速度与波（场）的速度加不到一块去，就好像肉价和米价也加不到一块去。
人们之所以困惑，因为把光子当成石子了，其实它只是波。
2020年6月6日
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(2020-06-11 12:38:56) 
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