二、关于光速不变原理

狭义相对论的第二个基本假设是光速不变原理，即假定在任何惯性参考系中，光在真空中的速度都等于常数 c。这个原理是否已经为实验所证实呢？

要测量两个分离点 A 和 B 之间的单程光速，就必须确定从点 A 发射的光脉冲传播到点 B 所通过的距离和所需要的时间间隔。这个时间间隔的测量必须使用两个分别置于 A 处和 B 处的同步（校准）的时钟。异地时钟的同步（校准）实质上就是不同地点的同时性问题。我们可以在 tA 时刻从点A 发出一个信号，假设信号速度为 u，到达点 B 时，B 处的时钟读数为 tB， 如果 tB=tA+AB／u，可以认为两处的时钟已经校准。

这里出现了一个难题：为了测量单程速度，需要校准不同地点的时钟； 而为了校准不同地点的时钟，又需要知道信号的单程速度。这就是异地时钟校准和单程速度测量之间的逻辑循环。在狭义相对论的体系中，这个逻辑循环不可避免。在这一点上，爱因斯坦本人早先也已承认，尽管他后来

（1946 年）实际上否定了这个看法。

爱因斯坦是如何解决这个问题的呢？他在 1905 年创立狭义相对论的论文《论动体的电动力学》中说：“要是没有进一步的规定，就不可能把A 处的事件同 B 处的事件在时间上进行比较。⋯⋯只有当我们通过定义， 把光从 A 到 B 所需要的‘时间’规定为等于它从 B 到 A 所需要的‘时间’， 我们才能够定义 A 和 B 的‘公共时间’。设在‘A 时间’tA 从 A 发出一道

光线射向 B，它在‘B 时间’tB 又从 B 被反射向 A，而在‘A 时间’tA 回到A 处。如果 tB-tA＝tA-tB，那末这两只钟按照定义是同步的。”这就是说， 爱因斯坦是通过约定光速与方向无关，即单程光速不变来定义不同地点的同时性，来校准异地的时钟。

由此可见，“单程光速不变”完全是一种逻辑约定，或者按照爱因斯坦的说法，它“仅是为了得出同时性定义，我按照我自己的自由意志所能作出的一种规定。”除非发现并利用超光速信号（超光速信号的存在是违背狭义相对论的），仅用电磁学方法是无法测量单程光速的。因此，也不可能检验爱因斯坦的（单程）光速不变原理。

要注意的是，测量从点 O 发出的通过一段回路距离再回到 O 点的回路平均光速，是不难通过测量距离和只用一个置于 O 点处的时钟测量时间来完成的。这里不涉及异地时钟校准和不同地点同时性的问题。事实上，关于光速不变原理的检验实验的分析表明，各种实验都只证明了回路平均光速不变，并没有证明单程光速的不变性。因此，通常所谓的“光速不变原理已经为实验所证实”的说法是不确切的。

1963 年，爱德华从回路平均光速不变这一假定出发，舍弃光速不变原理，导出了各向异性空间中各个惯性系之间的普遍的时空坐标变换式（称之为广义的洛伦兹变换）。当应用于可观察效应时，这些新变换给出了与狭义相对论完全相同的结果。