为何光速与任何速度叠加，得到的仍然是光速？没有参考系还能得出光速吗？

这个提问嘛……前一句很好解答，但后一句真是直达灵魂……

事实上，对后一句，至今我们都没有办法给出一个确切的答案。

我们人类，就是循着这个问题，突然闯进一片未知的旷野。这里的一切都在拷问着我们的理智，动摇着我们的“常识”——或者说，我们几千年来只不过是在“妄想”而已；妄想出来的、关于时间空间的一切，都不过是在误导我们自己。

而现在，我们窥破了关于时空的一丝真相；但限于我们的能力，能接触到的东西实在太少；而且，生活于低速、宏观世界的我们，压根没有直观体味高速、微观世界的能力。

打个不恰当的比方，就好像图像原图和傅里叶变换后的向量阵列一样：

左边是我们的眼睛能识别的图像，或者说是空间颜色点的点阵；而中间是以频谱形式表示的点阵图——我们完全无法从右侧两幅图中看到任何有效信息；但借助计算机通过一定的数学变换，右侧的数字点阵可以完美转换回我们可以识别的图片。

这个原理，是计算机图形图像音频视频压缩的基础。

当然，不要怕，这只是个示例，拿来让你感性理解一下“为什么这个东西研究起来这么难”而已。这里并不会讨论数学，而且傅里叶变换这个级别的数学也还不足以帮我们理解时空的性质。

为了理解时空的奇诡之处，让我们先从习以为常的事情说起。

声波这东西我们都很熟悉，对吧。中学时都学过，它本质上是在空气中传播的机械波。

说的更具体一些：

1、发声体振动，从而给空气施加了压力

2、压力冲击了发声体振膜 / 振弦前方的空气分子(原子，以下简称为分子)

3、分子有质量，有惯性，因此振膜前一薄层空气分子先被迫运动

4、这层空气分子获得速度之后，由于惯性就会推动更远处的空气分子、同时失去能量；于是空气分子几乎还在原地，但运动能量却已经传递到了远处。就好像这个牛顿摆一样：

宏观上看，振膜前大量气体分子瞬间被“压实”然后恢复原状；同时能量迅速往远处传递，使得路径上的“空气层”全都瞬间被“压实”（获得动量）、然后又把能量往远方传递、同时自己恢复原状。

5、类似的，当振膜往后运动时，振膜前空气层压力减小，于是自发膨胀起来、密度降低；于是远方空气过来“填补”，这个影响也会迅速传递到远方。

6、振膜来回震动，就产生了疏密相间的机械波（纵波）；我们耳朵中的鼓膜随之振动，就听到了声音。

知道了声波的本质，我们就可以推导出声速公式：

声速的定义和计算公式 OSGeo 中国中心 开放地理空间实验室

嗯，具体推导过程不需要看懂。你只要知道，一旦介质的密度、体积弹性模量确定，其中的声速就固定了。

注意，这个公式不仅仅适用于空气。水、钢铁等等，全都服从同样的规律。

注意这句：一旦介质的密度、体积弹性模量确定，其中的声速就固定了。

因此，你在高铁上甚至飞机上唱歌，歌声的传播速度仍然是空气中的声速，并不会和高铁、飞机叠加——哪怕你坐超音速飞机，你的歌声仍然只能以声速传播。

只不过，由于声源的快速运动，当它向着听众运动时，听起来声音音调变高，低沉的“呜”变成了高昂的“哇”；而当它远离听众时，声音音调变低，“呜”就成了更低沉的“嗡”——火车汽笛就是个最明显最鲜活的案例。

类似的，光也是一种波（电磁波），它的速度只和介质的磁导率 / 介电常数相关；真空磁导率 / 介电常数是一个常数，所以光速恒定。

这，就是对“为何光速与任何速度叠加，得到的仍然是光速”的解答。

当然，和声音一样，当光源迅速向我们接近时，它发出的光的频率就会提高，原子谱线就会向可见光光谱的蓝色端移动，所以叫“蓝移”；反之，当光源迅速远离我们时，它发出的光的原子谱线就会向红色端移动，所以叫“红移”。光源相对我们的运动速度越高，红移或蓝移量就越大。

所谓“光谱”，就是把日光、星光或者白炽灯钠灯水银灯之类光源发出的可见光透过三棱镜投射到白色幕布上；由于折射率的不同，不同频率的光就会形成一条光带，从频率最低的红光再到频率更高的橙黄绿蓝靛紫依次排列：

而所谓原子谱线呢，是因为不同原子会吸收 / 发射不同频率的光，表现就是烧灼它时会发出五颜六色的光。当把这种色光照到三棱镜时，会发现它的光谱是几根整齐的竖线（说明它只发射特定频率的光，这叫发射光谱）；同时，白光透过某种原子的较冷的蒸汽时，就会在光谱中形成几根黑色的竖线，这是因为它选择吸收了特定频率的光（这叫吸收光谱）——透过这种谱线，我们就可以知道遥远的星体里面都有哪些元素；测量这些谱线和实验室 / 太阳光里面相应元素谱线的频率差异，就能推算出遥远天体相对于我们的位移速度。

光谱线也曾是地球物理学发展的重要推手。关于它的研究直接导致了“量子”这个词的诞生——这和主题无关，就不多说了。

总之，我们可以清晰的看到，在这个方面，光和声音没什么差别。

那么，下一个问题顺理成章：声音依赖空气这个介质才能传到我们耳朵里，传递光的介质是什么？

嗯，空气我们看不见摸不着，但它就是存在；而光呢，在没有空气的“真空”中也能传播；很自然的，“真空”中应该也有一种比空气更加看不见摸不着的物质，这样才能传递光，对吧？

科学家把这种物质叫做“以太”。

妥了，声音靠空气传播，光靠以太传播；猫吃老鼠，奥特曼打小怪兽，多么井然有序的世界啊……

我们已经很熟悉空气以及声音了。

想象一下，如果你在火车上，有人在铁道旁吹喇叭，你会有什么发现？

没错。运动是相对的。因此仍然会有频率变化。

同时，虽然空气中声速固定，但我们相对于空气运动。因此当我们对着他运动时，喇叭声会更快的传到我们的耳朵里；反之则需要一定时间才能追上火车。

换句话说，这种情况下，声波沿不同方向到达我们身边时、所走过的路程长度是不一样的。

现在，让我们都站在地面上，站在大风里。我吹喇叭，你听；听完你也吹喇叭，我听。情况应该如何呢？

很简单，对吧：顺风时，喇叭声会更快的传递过去；逆风时，喇叭声就会传的慢一点。

换句话说，虽然声速相对于介质是一个定值，和声源的运动速度无关；但介质自己运动是可以“携带”声波一起动的，换句话说介质运动速度和声速叠加——注意区分“介质”和“声源”。

很容易想到，如果光需要借助以太传播，那么……地球绕着太阳转，是不是就会和以太产生相对运动，就好像火车在空气中前进一样？

既然以太这种东西和地球一定有相对速度……而我们在空气中，固定好距离，测一测不同方向的声音传播速度就能测出风速；那么，我们是不是也能用这个办法测出“以太风”的风速呢？

这就是著名的 迈克尔逊 - 莫雷实验

所有人都相信，我们可以通过这个实验“抓”住以太。

然而实验结果却令人大跌眼镜：地球，和以太，没有相对速度！

这意味着，我们必须承认如下两个事实之一：

1、地球，就特么是宇宙的中心，是整个宇宙唯一不动的天体。

但 傅科摆 却证明地球在自转。

2、不存在以太。光速相对于任何物体都是光速。

第一个显然是不对的。太多反例了。

但第二个又太过“反常识”了：不存在以太，那光靠什么传输？

于是，很多人开始打补丁：以太还是存在的，只是它的性质非常特别，比如要如此如此这般这般的修正——然后抛出一堆巨复杂的公式。

然而这些公式往往要给出很多假设，而且顾头不顾腚，换一个场景就完蛋。只有洛伦兹给了个“洛伦兹变换”可以完美接近一切问题——但问题是，没人知道为什么以太这么特殊、必须要用洛伦兹变换计算速度合成。

只有爱因斯坦站了出来：都别瞎猜了！咱就承认以太不存在、光速相对于任何物体（不管它运动不运动）都是光速，看看会出现什么！

结果，推出了洛伦兹变换。

这下更奇怪了，对吧。

你看，假设我们以光速运动，那么所有物体相对于我们的速度自然都是光速——你知道这意味着什么吗？

意味着，整个宇宙都是固定不动的！我们可以不需要任何时间就穿过整个宇宙——宇宙可能有 900 亿光年之辽阔（1 光年就是光跑一年所走过的路程）；所以我们需要 900 亿年才能穿越整个宇宙；但爱因斯坦却说，光速相对于任何物体恒定；那么，这 900 亿年里，整个宇宙，每个星球、每个原子，全都一动不能动！一旦动了，它们彼此之间存在了相对速度，那么必然就会有一部分物质相对于我们的速度不是光速，对吧？

你看，这不是扯淡吗。

爱因斯坦说，你想错了。这个问题的根本是：信息传播的速度上限就是光速。因此，我们对时间、空间的认识，就必须做相应的调整了。

还记得我们的火车实验吗？

那么，如果你在 A 火车上，我在 B 火车上，我的速度是 0.5 倍光速，你的速度也是 0.5 倍光速，我们相向而行——那么，你发出的电报只能以光速传给我。或者说，不管我们采用什么技术手段相互通讯、相互探索，都只能以光速进行。

探测方式呢，就是借助光(电磁波)，按一定间隔一次次的通报位置（或者靠被动反射的电磁波推算位置）。总之，我们把一次次探测的时间 / 距离数据综合起来，就能计算出你我之间的相对速度——然后，我会发现你和我之间的相对速度并非光速，而是“洛伦兹变换”算出来的 0.8 倍光速！

但与之相对应的，我会发现你飞船上的表变慢了——不像空气中那样，我在铁路边每秒吹一声喇叭，那么不管运动方向如何，你听起来喇叭声间隔都是 1 秒；只是速度线性叠加。

相反，在相对论里，速度叠加是非线性的，服从洛伦兹变换；因此两个物体的相对速度无论如何都到不了光速——相应的，运动的表变慢，运动的杆（在运动方向上）缩短，运动物体的质量增加。

当然，这个稍微绕了一点。不实际动手算一算是不可能明白的。

还是让我们看看爱因斯坦经典的“火车实验”吧：假设你坐在一列飞快行驶的火车上，火车长 1000 米，你在火车正中间。车头车尾各有一个装置，可以同时产生闪电。

那么在火车外面的人看来，两道闪电同时产生；可在你看来呢，由于你随着火车往前，因此车头的闪电会首先被你观察到，然后才能看到火车尾部的闪电。

换句话说，高速运动中，由于观察位置的不同，不同观察者看到的东西是不一样的——不存在所有观察者都能达成共识的“同时”这回事。

因此，假如你真能以光速运动，那么整个宇宙还真是“固定不动”的——但并不是宇宙固定了，而是对你来说，宇宙的时间停止了！

而你，毫无感觉。你的秒表还是滴滴答答的响。

换句话说，当你处于不同的位置、不同的运动状态时，你的时间观念、距离观念、质量观念，可以各不相同。

晕了吧？这就把时间卷进来了？

不光把时间卷进来了，（后来的广义相对论）连空间也卷进来了。

比如说，两个中子星 / 黑洞合并就会产生“引力波”；那么引力波是什么呢？

在广义相对论里面，引力是“时空弯曲”，那么引力波就是“时空涟漪”；而这种涟漪会凭空改变两个物体之间的距离（换句话说，压缩 / 舒张了空间）！

这玩意儿实在太过魔幻，以至于爱因斯坦自己都一度把它否定了，觉得那不过是“坐标变换的小魔术”。后来才在别人的劝说下改变了主意。

但我们知道，LIGO 已经探测到了引力波：激光干涉引力波天文台（LIGO）

LIGO 仍然是一个迈克尔逊 - 莫雷装置，只是臂长达到了十几公里，探测精度达到亚原子尺度——这个精度都探测不到以太，所以就别给以太说招魂了，救不活的。

换句话说，两个中子星的合并，会在十几公里的距离上造成大约半个原子直径的距离变化——所以说“时空”这玩意儿的“硬度”不是一般的大，如此大的能量释放引起的时空涟漪却如此之小。

来自宇宙的脉动 -- 引力波 - 科普中国

那么，空间又是什么？

过去，空间无从捉摸，无法讨论。空就是空呗。

但相对论之后，空间的小辫就被我们抓到了手里，而且知道它和时间紧密联系、无法分割；因此现在习惯说“时空”。

关于时空的讨论太过高深，完全超出了人类的感知能力。因此我们必须依赖高深的数学——如果你没有足够的数学基础，就不可能真正理解这个问题。

当然，简单通俗的说法也有，比如：

美国著名物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）这样描述，“物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何运动。”

注意这类说法往往只能抓住某个片段的具体表现，不可能精确深刻的描摹出时空的性质。

借助相对论以及数学，我们可以推出很多奇妙的结论。比如时间旅行、空间穿越等等。

——现在穿越文泛滥，就是受了这个影响。

关于时空，我们了解的还很少很少；现在也有很多理论 / 假说，但都还不足以作为最终结论。

比如，弦论 / 膜论认为，一切都是多维时空里面振动的一根弦 / 一片膜；再比如，还有 狄拉克海 这样的奇思妙想。

但无论如何，这些都只能停留在猜测的层面上。可以说，人类从来没有像现在这样深刻的认识到“我们能有多么的无知”这个事实。