最近和一位同学在三水老师的地盘上讨论。起始的话题是色散，几个回合下来，最后扯到了一个问题：光速不变原理总是成立吗？
当然我不在什么是“光速不变原理”上过多纠缠——无非是六个汉字而已。为了清楚起见，我把我所知道的和我所不知道的事实列在这里。以后也许还会不断修改。
1、光速是什么？如果将光速理解为自由传播的光子的速度，那么只要用狭义相对论的质壳条件就可解释，如果光子质量严格为零，则它的速度一定等于c。
2、光子质量为零，这与电磁场具有规范对称性是两个等价的事实。因此，只要经典Maxwell方程组成立，即电磁场具有规范对称性，那么光速就严格为c。
以上两点的成立依赖于狭义相对论的成立，并且是自由传播的。如果计及相互作用，则问题显然会复杂许多。首先，如果考虑引力，则需要考虑引力对光子的作用。光速不变在广义相对论的框架中仍然成立。下面的一条涉及宇宙论：
3、宇宙暴涨时的“膨胀速度”超过光速是否意味着光速不变原理失效？不见得。这只说明宇宙中存在一片我们永远也无法用常规方法探测到的区域。这个区域落在particle horizon之外。
更为现实的考虑是加入其他相互作用，如电磁作用：
4、在QED的范围内，足够高能的光子在传播中可以生成正反Fermi子对，这为光子引入了等效的质量。此等效质量是否影响表观上的光速？我现在不知道。
再复杂一些，就涉及到介质的问题：
5、通常讨论介质中的光速，是在经典电动力学的范围内，看Maxwell方程的波动解的相速度。至少折射定律中的光速就是用这个相速度定义的。根据电动力学，此相速度取决于介质的介电常数和磁导率，且一般小于c。
6、问题是：如何从微观的角度理解介质中光速下降的事实？这里涉及到光子在介质中复杂的相互作用。如何将之描述清楚，我现在不知道。
先写这些，待补。
关于光速不变原理我体会有以下4个方面，其一是与观察者的状态无关；其二是与光子的能量无关；其三是与宇宙的演化无关；其四是速度的最大值。
那么关于光速是什么的问题，最本质的是光速不变原理的第四点即是我们宇宙中的最大速度。至于为什么，这涉及到光子与物质的关系，以后再深入探讨。
关于光子质量为零的问题，首先要搞清楚何为静质量。所谓静质量就是无论粒子的状态如何，它都有一个不变的质量。那么什么粒子符合这一条件，具有静质量呢？严格地说任何粒子都不符合。因为基本粒子既可以由光子合成又可以分解为光子，而光子是没有静质量的，所以基本粒子的静质量并不具有绝对性，是由没有静质量的光子的状态（组合）产生的。因此，静质量只是相对于光子的聚合状态而言的。
关于暴涨速度对光速不变原理的影响，我们首先要弄清楚宇宙初期是由什么构成的，即什么在暴涨？是基本粒子吗？显然不是，其一在那种极端的条件下想必它们早就分解为光子了；其二宇宙膨胀的速度至少为光速c，粒子是不可能达到这一速度的。那么是我们已经知道的光子和粒子以外的东西吗？估计也不是，其一就我们目前的认识，光子没有静质量且速度最大，已经是最基本的，否则的话又怎么能有光速不变原理呢？其二结合背景温度，比较合乎情理的推论是宇宙中充满着光子，随着宇宙的膨胀，光子的能量降低，有一小部分聚合成基本粒子，而大部分进一步地降低并充斥于宇宙成为基本粒子的物理背景（空间）。当然，虽然宇宙是由光子组成并产生暴涨最为合理，但却对光速不变原理的第三点进行了修正或限制。
关于光速与频率的相关度是否绝对为零（这是光速不变原理的第二点）的问题，首先在介质中这一点是不成立的。关键的是在真空中是否成立。如果我们把真空看作密度最小的介质，那么光速与频率总是相关的。只不过两者的相关率与介质的密度成何关系变得非常重要。如果是正比即密度趋近于零时相关率也为零就符合光速不变原理；反之，如果是反比即密度小时相关度反而增大，就需要对光速不变加以限定。由于光速本身很大，而不同频率的速度差（即与频率的相关度）很小，现在尚无法直接测量密度与相关度的关系（哪怕是定性）。不过，虽然我们不知道密度很小（即真空）时的相关度，但我们却知道当密度很大时光速与频率的相关度是零，因为此时光速本身也已经等于零了。由此推论，光速与频率的相关度相对于介质的密度而言应该是反比关系。也就是，频率高的光速永远大于频率低的光速，它们的速度差随介质密度的增大而缩小直至为零。
zhongshi2003：
你的讨论中涉及到的问题太多。容我慢慢写。
就先说质量吧。你对静质量的解释不能算是定义。一个好的定义是，静质量是空间平移生成元算子的平方的本征值。因此光子只是一种静质量为零的本征态，当然还存在其他零质量本征态，它们之间由其他量子数区别。这样定义的零质量态只能以光速传播。
更仔细的解释，你可以读：
http://arxiv.org/abs/0809.4942v1
以搞清楚我在说什么。
我很好奇你研究生读的是什么专业？我指的是具体的方向。
我的专业是广义相对论。
现代科学观认为，科学不仅是经验的计算，还要有经验的解释。你所给出的静质量的定义充其量只是数学或唯象的，它所能说明的只是在现有理论框架下的延伸。这种局限于旧范式的思维是无法发展理论的。这就好比站在地心说的角度是永远建立不了经典力学的，尽管就数学而言用本轮和均轮描述天体运行并没有什么错，甚至在当时比日心说更为准确。那么，怎样才能走出原有理论的逻辑怪圈呢？需要经验的解释即从具体的物理机制（模型）入手。回到关于静质量的话题，对于静质量的理解应该从其最本质的物理性质入手。那么，什么是静质量的最为本质的物理性质呢？关键是一个静字，是相对动质量而言的，那就是与具体的存在状态无关的质量。由此，人们才赋予了质量的绝对意义。但是，这种形而上学式的绝对观点无论是在哲学上还是物理上都不符合现代的认识。在哲学上，凡具体的都是有限的（任何具体的都是可以定义的，而所谓定义就是做出了某种限制）；在物理上，静质量取决于光子的状态（是否聚合）。从实际的研究效用来说，你所给出的定义在现有理论框架的运用是方便的，但是对于发现现有理论的不足，对于建立新的理论却又是没用的。人类如果只满足于会骑自行车而不发明汽车就没有进步了。我在与你讨论的过程中始终都在努力保持中性的态度，就事论事。而你之所以多次怀疑我的学习背景，就是因为我所说的和提出的问题是书本上没有的，但是，作为一个搞理论的如若跳不出书本和课堂上的知识，那只能是九斤老太，一代不如一代。所以，对于我所给出的关于静质量的定义，你可以具体地指出该定义的不足（如没有意义或不准确或比较含糊），相比之下可以给出一个更好的定义，而不是简单地说这与书本上的定义不符。作为格式塔的转换，应该想想别人为什么这么定义，有什么意义？如果我所说的都是原有的知识，那你还有什么兴趣进行讨论呢？毕竟这里不是课堂，更不是展示自己知识的丰富和学术的优越，而是应该碰出思想火花的地方，不是吗？
创新的基础是对已有知识的深刻理解。如果你将此视为保守，我无话可说。你更多的解释只能更加深我的怀疑，明眼人自有判断，咱们不如就此打住。
物理的解释就不说了（我思考的甚少）。
是一种信仰吧：如果考察一个系统，我们仅仅只在它的内部考察的话，是不能（信仰）认识这个系统的完整结构的。
我相信存在某种物质的运动速度比现在的光速更快（涉及对宇宙的理解，或者得站在宇宙的外面来看。）。
yangenlin：
这是一个悖论：我们总是通过宇宙内部的实验来认识宇宙的。
光速最大原理肯定不是总成立的。其实理论上存在各种超光速的可能性，比如说“快子”，质量为虚数的粒子。但是实验上还没有看到。
Good !!!
yangenlin：
我觉得你的“信仰”有数学的背景在里面。
一方面，真实的自然总是复杂的。Einstein说，越纯粹就越不真实，越真实就越不纯粹。
另一方面，理论应当给出与实验符合的结果，至于实验所不能及之处，正是理论家大肆编造的地方。因此不能跳出宇宙丝毫不影响理论家编造宇宙理论。我听说还有“宇宙系综”这样的东东，是不是很疯狂？
这是一个悖论：我们总是通过宇宙内部的实验来认识宇宙的.
这才是奇妙之处啊!
我发现一个定义上帝的方法:处在宇宙”之外”的观者.呵呵>_<
你好，， 我同意搂主的观点。 虽然不是 很懂，
我也有一个假设，不知道你们看来是不是比较幼稚。 如果我们能用计算机精确模拟 没有一点误差，计算出地球刚刚出现生命的状态，让他自由发展，淘汰 ，
过了N 年以后会不会出现和我们一模一样的世界 ，我相信世界上所有的东西
都有规律，人们只是在一直发掘它而已。
其实世界上有很多假设，就像人们只能飞上天 看到地球是圆的， 才算是真真正正知道地球是球体，是一样的道理， 而我们接触到的那些奇妙的规律 是怎么生成的，，， 人们把这个问题留给了 神，
所以 搂主 加油哦！！！
happyfrank：
谢谢回复。你的留言提醒我重读我半年多以前所写下的东西。我现在至少可以回答原文中我当初所写下的第四个疑问：电磁作用是否改变光速？
答案是，如果规范对称性严格成立，则光子质量一定严格为零，不论是否有相互作用。从微扰论的角度讲，这是由Ward-Takahashi恒等式所保证的。换句话说，光子质量不接受量子修正。