和大家聊聊「特殊相對論」！（1999/10/18）

在人類文明的進展中，科學家扮演了相當重要的角色。一個新的科學發現，往往都會帶給人類文明一次大躍進！

科學上的重大發現，往往是集合了許多科學家的心力共同創造出來的結果；但是，二十世紀初科學上的兩大發現之一的「相對論」，卻是愛因斯坦利用紙和筆，加上他那驚人的腦袋，一個人創造出來的！我們可以說，愛因斯坦和相對論，同樣都是人類文明史上的大驚奇！

小芽子設站以來，很多大、小朋友詢問過關於相對論的問題。大家對於「相對論到底說些什麼？」感到相當好奇！所以，這一次維尼哥哥就為大家介紹一下「特殊（狹義）相對論」，讓大家對於愛因斯坦的天才想法，能有初步的了解。

西元1905年，愛因斯坦任職於瑞士波昂的專利局，只是一個微不足道的小公務人員。但是，當時才二十六歲的他，卻一口氣提出多篇論文，其中三篇：《光量子假說》、《布朗運動的理論》、《特殊相對論》，成功解決了一些懸宕已久的問題，震驚了科學界，也因而打亮了他的名聲，大家都在問：這個小子到底是何方神聖？

西元1905年，後來被稱為「奇蹟之年」，而這三篇論文更都是科學史上的重要經典。愛因斯坦在《光量子假說》一文中，提出了「光既是波動，也是粒子」的「波粒二象性」，成功地解釋了困擾物理界相當久的「光電效應」，也為二十世紀初的另一個科學發現－「量子論」，奠定了良好的基礎，而獲得1918年的諾貝爾物理獎。（愛因斯坦可不是因為《相對論》得獎的唷，大家不要弄錯了！）

不過，這次我們暫時先不談其他兩篇重要的論文，而專就《特殊相對論》為大家做個粗淺的介紹！

「特殊相對論」（或稱「狹義相對論」），包含兩個基本原理：

相對性（同等性）原理：在所有慣性系（不受外力作用，作直線等速運動的系統）中，物理法則是相同的。
光速不變。（不受光源、慣性系或觀測者的運動影響）

依照《特殊相對論》，會得到許多與古典物理相悖，及根據常識想像不到的結果，我現在一一介紹：

同時刻的相對性：在Ａ系統中同時發生的事，在Ｂ系統看來，不一定是同時的。

什麼意思呢？比方在一輛火車車廂的正中央裝設一個光源，當車廂的前後門接收到光源所發出的光時，車門就會打開。我們把車廂當成Ａ系統，對於一個待在車廂裡的人來說，因為前後門離光源一樣遠，所以不管車廂是靜止的還是運動的，前後門一定是「同時」打開的。

但是，對於待在月台上（Ｂ系統）的人來說，可不一定是這樣唷！^_^

當火車靜止時，對月台上的人來說，車廂前後門也是「同時」打開的。（如右圖）

解說圖（一）

但是，如果車廂不是靜止的，而是向左邊運動，那麼，對於待在月台上靜止不動的人看來，光源的光會先到達後門，才到達前門。所以，後門先打開、前門才打開，前後門不是「同時」打開的。（如右圖）

解說圖（二）

這表示什麼？這意味著在運動中的火車裡看見的「同時」，和在外面看見的「同時」並不一樣。這就叫做「同時刻的相對性」。^_^


勞倫茲收縮：物體運動速度越快，長度越短。

這個更玄了？！那麼如果我們跑得飛快，不是就變「瘦」了？！（嘻嘻！太好了，不必去“媚 × 峰“了！^_^）

沒錯！的確如此，而且這個神奇魔術，其實和前面提到的「同時刻的相對性」有關喔！

再以車廂作例子。我們能看見東西，是因為光線進入我們眼中的關係！如果車廂是靜止的，那麼，我們站月台上離車廂兩頭等距離的位置，車廂兩頭（Ａ點和Ｂ點）的光進入我們眼睛的距離是相等的，所以對於站在月台上的我們來說，我們可以「同時」接收到來自Ａ點和Ｂ點的光，因此，我們看見的車廂就是原來的長度。（如右圖，車廂長度＝原長）

解說圖（三）

但是，如果車廂往左邊運動，那麼，Ａ點離我們的距離越來越遠，Ｂ點離我們的距離越來越近，所以，當我們看見某一時刻來自Ｂ點的光時，同一時刻來自Ａ點的光只走到半路；而真正進入我們眼中的光，其實是更早的時候（Ａ′）發出的。也就是說，我們「同時」看見的，是來自Ａ′和Ｂ的光，因此，我們看來，車廂就變短啦！（如右圖，車廂長度＜原長）

解說圖（四）

不過「勞倫茲效應」在生活中是體驗不到的！因為它有個前提，就是物體的運動速度必須要接近光速才行！我們都知道光速每秒約 300000公里，如果一架太空船以每秒 258000公里的速度飛行，那麼，太空船在靜止的我們看來，長度會縮短一半；當然囉，從太空船裡看我們，我們的身體也瘦了一半喔！^_^


時間的延遲：運動中的系統，時間會變慢。

假設有這樣一部從外面可以看見裡面的透明電梯，在電梯天花板和地板的正中央都裝上一面鏡子，地板鏡子的正中央再裝置一個光源，然後在電梯牆壁上掛上一個鐘，而我們身邊也有一個一模一樣的鐘。

好！當電梯靜止不動時，地板的光源發射出去，經由天花板的鏡子反射再回到地板，假設電梯掛鐘剛好走了一個刻度，這時，我們身邊的鐘也剛好走了一個刻度。

但是，如果電梯在我們面前橫向高速運動時，我們會發現，光由地板經天花板再反射回地板的距離變遠了！（如右上圖）因此，在光速不變的前提之下，當我們身邊的鐘走了一個刻度時，因為電梯裡的光還沒反射回到地板，因此，電梯裡的鐘，也還沒走完一個刻度。（如右下圖）（看懂嗎？好好思考一下！）

 解說圖（五）

所以說囉，高速運動的電梯裡的時間就過得比靜止的我們慢了！不過，由於日常生活中的運動速度和光速比起來根本微不足道，假設一個人搭乘時速1000公里的飛機飛行十小時，再回到地面，也只比待在地面的人年輕一億分之二秒而已！因此，我們根本感覺不到時間延遲的效應！^_^


E＝mc2：質量與能是等價的。

「E＝mc2」這個公式幾乎已經等於「相對論」的代名詞，任何人講到相對論，即使完全不懂相對論是“蝦密東東“，也能脫口而出“E＝mc2“！這個公式說明了質量與能量的等價性，這在古典物理裡面，這是根本不可能得到的結論。

這個公式可以從兩方面來看：

第一、當物質得到能量進行運動時，它的質量也會隨著增加。也就是，能量在此轉換成質量。公式如下：

從這個公式可以清楚看出：在速度ｖ遠小於光速ｃ時，物體質量ｍ幾乎等於靜止質量ｍ0；但是當ｖ逼近光速ｃ時，ｍ就會急速暴增，逼近無窮大！這也說明了：超越光速的運動是不可能的！

第二、當質量損失時，也會轉換成能量的形式。

例如：把質子和鋰原子進行核轉變，成為兩個氦原子核時，會損失 3.088 ×10-26 公克的質量。大家不要小看這微乎其微的質量，利用「E＝mc2」的公式，可以算出這些質量可以產生一千七百三十萬電子伏的能量喔！

哇！說了這麼多，不知道大家現在對「特殊相對論」是“清清楚楚、明明白白“，還是“兩眼昏花、一頭霧水“呢？不論如何，希望這篇文章對大家了解相對論有一點點的幫助！^_^