【科學史沙龍】愛因斯坦如何發現狹義相對論

■CASE化身皇家科學院 暢談科學好有趣！
狹義相對論聽起來好威！愛因斯坦究竟是怎麼發現它的呢？又是為什麼需要發現它？是為了要解決什麼問題嗎？這次CASE就化身英國的皇家科學院，現代週二下午的「耶誕講座」，與大家一起從科學史的脈絡，重新理解科學。

講者｜ 臺大物理系 高涌泉教授
撰文｜郭冠廷

科普重口味？意猶未盡，我就是想多知道一點！
科普講座非常的多，可是身為物理系專業的高涌泉老師，不禁感慨其實我們需要一個「更深入的」科普講座。對於這群人而言，一般針對普羅大眾的科普講座是隔靴搔癢不夠過癮，就是還想要多知道一點點的科普市場。

愛因斯坦的悸動！16歲少年對「時間」的詮釋。
當我們還在煩惱要讀哪一所高中，青澀的16歲。科學界的偉人愛因斯坦，卻在煩惱著為什麼Michelson和Morley量不到地球相對於以太的速度？最終才知道，原來是因為自己沒有搞清楚「時間」是怎麼一回事！那份感動就是我們這場講座的重點，聽不懂什麼是相對論，搞不清楚電動力學是什麼都沒關係。高老師認為，「我希望大家可以從故事當中，到到一點樂趣跟啟發。就當聽聽歷史故事！」

「以太」很重要？物理學大師找不到！
愛因斯坦所提出的狹義相對論，正是建構於馬克斯威的理論之上，馬克斯威方程式規範了一切古典電磁現象，引發了愛因斯坦堅信相對性原理的電磁現象。電磁學家馬克斯威認為真空中存在「以太（ether）」的電磁介質。五月天的石頭則說：「光需要以太才能射向它該去的方向。」可是愛因斯坦卻質疑，「以太是不存在的，在理論中不被需要。不論光源的速度為何，光在真空中前進的速度是一個定值。」

《費曼的物理學講義》^[1]一書當中就描述，兩位物理學家Michelson^[2]和Morley^[3]在1887年，為了觀測「以太」是否存在，進行著名的「邁克生—莫立實驗（Michelson–Morley experiment）」，最後的結果是，Michelson和Morley無法量到地球相對以太的速度。

等一下！靈光波動拳真的可以說停就停嗎？
愛因斯坦在《自傳筆記》中描述一項想像實驗， 說明了他如何想到狹義相對論。「我16歲時想到關於馬克斯威方程式的一種弔詭：如果我以真空中的光速，去追一束光，則我應該看到一束靜止的光，也就是在空間來回震盪的電磁場。但是，這種現象似乎並不存在。」光在真空中的速度，永遠是恆定的。光速是獨立于光源的速度。光速是恆定的，真空中的光速（Ｃ）具有相同的值。

別小覷哲學。相對論是哲學家的產物！
愛因斯坦在1905年，發表了《論運動物體的電動力學》^[4]，描述了著名的狹義相對論。年輕的科學小伙子，勇敢挑戰電磁學大老馬克思威的「以太靜止坐標」，因為在力學與電動力學中，並不會出現絕對靜止，所有物理學定律在慣性系中都應有相同的表達形式，這樣的推測就是相對性的原理。

愛因斯坦在這些弔詭的科學現象中不停地思索著。有一天，當他在研讀休姆與馬赫的哲學作品《論人性》時，他領悟到「任何觀念皆應立基於知覺經驗上，一切超越經驗之外的觀念都必須質疑。」愛因斯坦從哲學大生的詮釋，領悟到「時間」何嘗不是如此？「絕對時間」的概念就是一種沒有經過檢驗的假設，因此愛因斯坦能夠毅然摒棄這在當時習以為常的假設。1924年，這位相對論作者說：「在思考七年卻一無所獲後，我突然想出了答案，那就是我們對於空間與時間的觀念與定律，除非它們清楚的立基於經驗上，否則是無效的。」

參考資料：
^[1]The Feynman lectures on physics http://www.feynmanlectures.caltech.edu/
^[2]阿爾伯特·邁克生（Albert Michelson，1852年12月19日－1931年5月9日）
^[3]愛德華·莫立（Edward Morley，1838年1月29日－1923年2月24日）
^[4]Annalen der Physik: On the Electrodynamics of Moving Bodies. 17:891-921. (1905/06/30)