“光速不变原理”是定律？是公理？是定理？还是假设？

我在知乎上做了很多努力来普及基本的相对论知识和时空观，但是现在看来，再过100年仍然会有人问类似的问题。没有别的办法，只能一遍一遍的回答，也许很多知识就是要反复说，才能逐步起到普及作用。

物理学是科学，科学是建立在“逻辑+实证”的基础上的。科学理论首先不能违背基本逻辑，其次要符合实验结果。

由于实验结果不可能覆盖全部客观情况，所以任何科学理论——哪怕得到了大量的实验验证的科学理论，我们一般也只将其称为“定律”，而不是“公理”，这是科学与数学的一个基本区别。因此，“光速不变”在今天是一个基本物理定律，它的准确含义是在我们客观存在的四维时空中，任意观察者所测量得到的真空中的光速（电磁波传播）的大小（速率）是不变的。正因为如此，国际计量大会已经将真空中的光速大小定义为一个准确的数值 299792458 m/s ，并以此作为定义长度单位的基础。

“光速不变”最早是爱因斯坦作为狭义相对论的一个基本假设提出来的。但在这之前，麦克斯韦的理论和迈克尔逊-莫雷实验分别从理论和实验两个角度给出了“光速不变”的结论。既然理论和实验都给出了结论，为什么还需要爱因斯坦再提出来呢？那是因为这个结论对传统认知的颠覆程度过大，所以当时更多的物理学家希望修正麦克斯韦的理论来解释迈克尔逊-莫雷实验结果。只有爱因斯坦认识到了，需要修正的不是麦克斯韦的理论，而是我们对于时空的认知——时空观。

必须承认，在1905年爱因斯坦刚提出狭义相对论的时候，这个理论只能说是爱因斯坦及少数物理学家的观点，尚未得到物理学界、科学界的广泛认可。但是，科学最大的特点和价值就在于它不需要也不认同坐而论道，需要的是通过对客观世界的观察来验证某个或者某些科学家的观点是否正确。

狭义相对论经受住了客观实验的检验，这个理论所推导出的结论，只要具备客观验证条件的，无一例外得到了证实；原有一些不能很好被理论所解释的实验结果，也能够很好地在狭义相对论理论框架下得到解释。比如，粒子在高速运动下寿命会变长，极高的能量也无法给粒子加速到光速，粒子质量随着速度在增加，高精度原子钟验证了双生子效应等等。

更为关键的是，1915年，爱因斯坦提出广义相对论之后，狭义相对论作为广义相对论理论体系下一个特殊情况——平直的四维闵可夫斯基时空，其理论非常清晰而完整的纳入了广义相对论之内。广义相对论做出了更多的颠覆性预言，到今天也无一例外得到了大量物理实验和宇宙观测的证实。今天，我们连黑洞的照片都拍出来了（要知道爱因斯坦终其一生也想象不到他的理论所预言的黑洞这种物理现象能够真的存在），引力波都探测到了。可以说，从狭义相对论提出到现在的117年间的一切有关科学实验（还不仅仅是物理实验）都符合相对论的理论预测，而且是高精度地符合理论预测。即使像否定了爱因斯坦一生所坚持的“客观实在性”的针对贝尔不等式的大量实验，也无法否定任何能量、信息、物质的传播速度不能超光速的相对论基本结论。

所以，“光速不变”在1905年刚提出的时候，可以认为是一种理论假设；后来的几十年间，得到了大量实验验证后，可以被认为是物理定律；到了117年后的今天，以此为基础的狭义、广义相对论及其大量颠覆认知的理论预言都得到了实验观测的证实后，我们可以非常确定一定以及肯定地说，相对论理论是正确的，“光速不变”完全可以作为物理学的一条基本定律来存在，即使你把它称为原理，我也没有任何不同意见。

在广义相对论中，我们可以用更精炼、准确的一句话来表述“光速不变”，那就是“光所走过的四维时空上的线长处处为零”。当然，要想准确理解这些知识需要的是学习足够的数学知识作为基础，并认真学习广义相对论这门课程。

【小结：到今天，在大量科学实验和观测的基础上，我们可以非常确定地把“光速不变”作为物理学基本定律，甚至是某种原理来看待。】

BTW，理解相对论最难的是理解相对论时空观，特别是广义相对论对我们所处的时空的认知。我以前写过一篇回答，用尽量普通的语言解释了一下什么是广义相对论中的四维时空，为什么四维时空是绝对的，而时间和空间都是相对的，甚至是人为定义的。感兴趣的朋友可以参考。