什麼是光行差

光行差是指運動的觀測者觀察到光的方向與同時同地靜止的觀測者所觀察到的方向發生偏差的現象，也稱為天文光行差、恆星光行差。

光行差這一現象是由英國天文學家詹姆斯·布拉德利在1729年首次解釋的，因為地球在太陽和光的軌道上不斷移動，以有限的速度在太空中傳播(大約30萬公里/秒)。如果地球是靜止的，或者光是瞬間穿過空間，這種現象就不存在了。

光行差現象在天文觀測裡尤為明顯。因為地球時刻在進行公轉和自轉，從地球上觀察天體的位置時就會存在光行差，其大小與觀測者的速度和天體方向與觀測者運動方向之間的夾角有關，並且在不斷變化。

光行差本質是由於有限的光速以及光源與觀察者存在相對運動造成的。類似於運動中的雨滴。在下雨時，站在原地不動的人感覺到雨滴是從正上方落下的，而向前走的人感覺雨滴是從前方傾斜落下的，因此需要把傘微微向前傾斜。走得越快，傘就需要傾斜得更多。光行差的成因與此相似，只不過不符合經典的速度疊加法則，而是需要考慮相對論效應帶來的修正。 在移動汽車的側窗上，雨滴留下的痕跡提供了一種與光像差的類比。即使雨直下，痕跡也會在一個角上。

地球上的觀測者與天體之間的相對運動，分別對應下面幾種光行差：

週年光行差——地球繞太陽公轉造成的光行差，最大可以達到20.5角秒。天文學中定義週年光行差常數（簡稱光行差常數）為κ=v/c，其中c是光速，v是地球繞太陽公轉的平均速度；

週日光行差——地球自轉造成的光行差，比周年光行差小兩個數量級，約為零點幾角秒；

長期光行差——太陽系在宇宙空間中的運動造成的光行差，包括：

太陽自行造成的光行差，約為13角秒，但方向不變； 太陽系繞銀河系自轉造成的光行差，約為100多角秒，但週期很長。

在一般問題中，長期光行差可以不必考慮。

有人誤認為相對論的光速是恆定的，與參照系無關，因而不應該有與光速的速度合成出現。

其實是對相對論的誤解，相對論認為速度合成會造成光速方向的變化，但光速大小不變。

若用相對論來解釋的話，星球表面隨星球自轉而做圓周運動，有一個圓周平面的徑向加速度，使時空直線沿圓周平面徑向有彎曲，而光會沿著此彎曲時空直線進入人眼，其實際方向與人的視覺直線方向有差異。差異大小，也與光線和人所在位置徑向的夾角有關。

當我們觀看電影時，經常會看到以下的一幕，一對年輕的情侶打著傘在雨中前行。眼尖的物理系學生‍立刻發現了影片的破綻，男女主角的雨傘☔️始終是垂直的。

學過物理的人都知道，雨水垂直下落，人體不斷前行，兩個相互垂直的速度之和等於直角三角形的斜邊。

因此，雨️雖然是垂直下落，但是對於行走的人來說，雨卻是從前方斜向落下的。於是，根據生活常識，行走的人在雨中打傘時，要有一個向前的傾角。該角度大體上等於人行走的速度與雨水降落的速度之比，與雨水到人體的距離無關。

那麼，為什麼男女主角的雨傘☂️是垂直的呢？原因是，在拍攝影片時，並沒有下雨，“雨水”是灑水車人工降雨所為。由於灑水車與演員同步行駛，抵消了人體運動的速度，所以人工降雨相對於行走的演員來說是垂直下落的。

如果我們變換場景，遠方的星光替換了雨水，圍繞太陽公轉的地球取代了演員，望遠鏡替換了雨傘，這就是光行差實驗。科學家們希望藉助該實驗，驗證地球是否拖拽著空間同行。

如果答案是肯定的，地球拖拽了空間，那麼類似人工降雨，星光會垂直射下。無論地球是否運動，觀看星光的望遠鏡都是不變的。

反之，如果答案是否定的，地球沒有拖拽空間，則類似天降大雨，星光會與地球形成一個夾角。該角度的大小等於地球的速度除以光速。

根據實際的觀測，地球處於太陽兩端時確實存在著正負夾角，即類似雨傘，望遠鏡需要隨著地球的公轉不斷地調整觀測的角度。其最大的角度就等於地球的速度與光速的比值。

所以，光行差實驗最直接的結論是，地球在空間裸行，並沒有拖拽空間。更進一步的推論則是，光速可以與地球的速度疊加，地球接收光訊號的速度大於光速本身。

對於這一結論，物理系的學生‍馬上提出了異議，認為這一結論違反了光速不變原理。

愛因斯坦運用歸納法，將經典電磁學中的光速不變現象提升為普適的自然規律。由此，建立了狹義相對論。然而，歸納法是有侷限性的，超出了質的變化，歸納出的規律就會失效。

由於光子的質量非常小，以至於光子的能量變化主要是其相對於空間勢能的增減，所以光速是光子維持其相對於空間勢能的速度，光子只與空間保持不變的光速。在此範圍內，光速不變原理是有效的。

然而，如果超出了空間的範圍，將光速不變原理擴充套件至任意參照系，則光速不變原理就不再適用了。因為不代表空間的參照系與光子並沒有發生任何實際的物理作用。

地球的速度與光速的疊加，只是在地球上的觀察者獲得的表觀速度，對於光子而言並沒有產生任何物理上的影響。

經常聽到有人詢問，如果迎著Sunny奔跑‍♀️，人與光的速度是否大於光速。答案是肯定的，因為這一速度並不受空間的限制，與光行差實驗是同樣的道理。

總之，光行差實驗證明，光速可以與觀察者的速度進行表觀疊加，光速不變原理對於光的表觀速度是失效的，說明不同的參照系存在著不同的物理意義。