六極物理：極快、極大、極重、極小、極熱、極冷，探索極限世界(VE00060)

類別： 親子‧童書‧青少年>LEARN
叢書系列：LEARN
作者：嚴伯鈞
出版社：時報出版
出版日期：2021年10月15日
定價：500 元
售價：395 元(約79折)
開本：18開／平裝／416頁
ISBN：9789571394848

【內文摘錄】

▼  內文摘錄

【極快篇The Fastest】

[導讀]如果你以光速運動會看到什麼？

〈極快篇〉是討論當物體的運動速度快到極限、接近光速時，會發生哪些神奇的物理現象，內容主要是愛因斯坦的狹義相對論。

之所以叫狹義相對論，是因為它研究的物件主要是做等速直線運動（uniform linear motion）的物體，只考慮物體運動速度大小影響，不討論加速、減速的情況。除此之外，狹義相對論也不討論存在引力的情況，引力是廣義相對論的討論範疇。

狹義相對論是把物體的運動狀態和時間、空間的性質聯繫起來的理論。

對大多數人來說，愛因斯坦的相對論可能是最神奇的科學理論，但具體是什麼卻沒有多少人真的清楚，且愛因斯坦剛發表時，據說世界上只有不到三個人能看懂，因為太違反常識了。

日常生活中，我們根本無法感受相對論的神奇效果，為什麼呢？因為我們的運動速度實在太慢。確切地說，是和光速比起來太慢了。光的速度約每秒三十萬公里，一秒約可以繞地球七圈半，而狹義相對論的效果要在運動速度接近光速時才會明顯表現出來。

狹義相對論對物理學的發展非常重要，當研究尺度縮小到原子，甚至是原子核（atomic nucleu）內部，存在運動速度極快的基本粒子時，就不得不考慮相對論效應，狹義相對論是我們認識極度微觀世界的必經之路。

當然，解決現實問題時，例如真的要研究宇宙天體的行為，廣義相對論才適用，而狹義相對論討論的只是理想情況。

如果人隨著一道光以光速運動會看到什麼景象？這應該是愛因斯坦最早思考關於相對論的問題，儘管當時他還遠遠沒有提出相對論。

不如思考這個問題，看看能夠得到哪些啟發。我們知道光的傳播需要時間，現在常說宇宙當中某天體距離我們○○光年。

例如現在正在觀察距離我們十光年遠的天體，眼睛所接收到來自它的光，實際上是它在十年前發出的，需要花十年才能來到地球上被我們看見。

假如現在瞬間移動到距離地球二千光年以外，拿著望遠鏡看到地球上發出的光，應該是二千年前發出的，就是我們將能夠看到漢朝發生的事情。現在設想一下，站在距離地球二千光年遠的地方，這時一邊用望遠鏡看著地球，一邊快速後退，後退的速度和光速一樣，眼前的光是不是似乎很難趕上你？

直覺上，即將進入你眼睛的、從地球傳來的光，一直無法傳到眼睛裡，因為你後退的速度和光一樣快，它追不上你。對你來說，看到的地球畫面應該是定格景象，因為一旦開始以光速後退，地球上新的景象就無法被你看到了。

是不是對你來說，一旦你以光速運動，時間就應該靜止呢？再極端一些，如果你後退的速度超過光速，是不是能趕上更早時間發出來的光呢？也就是屆時你再看地球，應該是倒放的景象，因為你的速度比光快，你在不斷地追趕之前的光，看到的地球景象應該如電影倒放一般。同理，只要我們的運動速度超過光速，是不是就能感受到時間倒流呢？先不說超光速是否可能實現，透過這個思想實驗（thought experiment），是不是能夠得到一點啟發，就是時間的流逝可能與物體的運動速度有關？當然，狹義相對論會告訴我們確實沒錯，觀察者感受到的某個被觀察物件的時間流逝速度與該物件相對於觀察者的運動速度息息相關。

‧內容安排

第一章，介紹狹義相對論的兩條原理─狹義相對性原理（principle of special relativity）和光速不變原理（principle of constant of light velocity）。在這兩條原理的基礎上，所有狹義相對論的效果都是邏輯上的必然匯出。

第二章，進入狹義相對論的深入討論。因為狹義相對論是在理想情況下的邏輯推演，很多實際情況不適用，難免會存在一些悖論。透過解決這些悖論，從中可以看出廣義相對論誕生的必要性。

第三章，著眼於現實，討論從低速到高速的發展過程中，人類科技會面臨哪些瓶頸？包含許多空氣動力學（aerodynamics）的知識。因為從靜止、加速到趨近光速，有巨大的技術鴻溝要去跨越，我們必須腳踏實地了解提速的困難在哪裡。

【第一章】狹義相對論

[第一節]光速不變原理

‧時間與空間是否獨立？

我們生活在四維時空（4-dimensional spacetime）中。

首先，空間有三個維度（dimension），例如任何物體都有長、寬、高。長度、寬度、高度都可以發生變化，時間也可以變化，如此便有時空的四維。當然，更準確地描述是，我們生活在三加一維的時空。換言之，要描述宇宙中發生的任何事件，都需要至少四個座標（coordinate）。

例如寄快遞給別人要寫對方的地址，其實就是一個三維的空間座標，肯定要具體寫哪條街、幾號，這裡的街和號代表兩個空間座標；還要寫住幾樓，就有了第三個空間座標，即便對方家是別墅也有樓層，入口的樓層通常是一樓。

不管怎麼樣，寫任何地址都會有等效的三個空間座標。除此以外，快遞員要把包裹親自交到對方手上，必須確認對方幾點在家，就是時間座標。所以完全定下一個事件需要四個座標，三個空間座標和一個時間座標。

這裡出現看似不是問題的問題：時間座標和空間座標有關聯嗎？或者說，時間的流逝速度和你的空間位置，甚至是運動速度，有沒有什麼聯繫？

別急著下定論，請先想像這個場景：我和你各佩戴一只手錶，先校準時間，你坐上太空船去太空遊玩一圈。假設兩只手錶都非常精準，請問：你去太空轉一圈回來後，手錶指示的時間還會一模一樣嗎？

這看似根本不是個問題，因為根據生活經驗，既然兩個人的錶都很準，不管是誰坐太空船出去轉一圈，時間應該相同。

這個答案其實對應艾薩克．牛頓（Isaac Newton）的絕對時空觀（absolute time and space），這是什麼呢？就是牛頓，甚至愛因斯坦之前的所有學者都認為，時間的流逝是絕對、獨立運行的，和空間沒什麼關係，全宇宙都可以使用同一個鐘來計時。

當然，對牛頓來說，這個結論其實是經驗性（empirical）的，沒有實在的證據。只是因為在日常生活中，哪怕你是飛行員，天天開飛機，你的手錶和地面上的人的不會有什麼差別。

但就是這樣看似不是問題的問題，引起了愛因斯坦的注意。相對論的一個核心就是：空間和時間不是割裂的，它們並非相互獨立，而是有非常緊密的內在聯繫。