【物理史上的六月】1905 年 6 月:愛因斯坦與特殊相對論

1905 年 6 月:愛因斯坦與特殊相對論

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News, 2005 年 3 月)

        愛因斯坦小時候曾讀過伯恩斯坦(Aron Bernstein)的《自然科學國民手冊》(The People’s Book on Natural Science),其中有一章,作者伯恩斯坦請讀者想像自己與電流一起滑過電報線路的情形,這個想像一直盤踞在年輕愛因斯坦的心中。愛因斯坦 16 歲時開始思考,假如他能趕上光的速度,那麼光束看起來會像什麼呢?孩童時代的愛因斯坦總認為,如果有人能隨著光一起衝刺的話,光束看起來應該是靜止的,就像靜止的波一樣,但是一直沒有人曾經觀察到靜止的光,所以讓他開始思考其中可能的原因。

1921 年,愛因斯坦在維也納演講|From: Wikimedia Commons

 

        自從伽利略和牛頓以來,物理學家就已經觀察到,在實驗室中觀測力學現象時,不管儀器是靜止的,或是沿直線做一等速運動,結果並無差別;物體在等速前進的船隻中,和停泊在港口的船上,其行為也都是相同的,當時的科學家稱其為相對性原理。但是大家都認為此原理不適用於光上面。

        19 世紀末時,大家都認為光是一種波。對於科學家來說,既然光是一種波,則它必需透過媒介體才能傳播,如聲波或水波一般。於是,他們相信世界上一定充滿著一種叫做乙太的特殊物質,而這也可以解釋光為什麼能在看起來空蕩的空間中行走。但是,若情況如此的話,那麼光速就不應像馬克士威方程式所預測是不變的,它會受運動的影響而改變。經過無數次的實驗後,大家仍是無法對此假設找到可靠的證據。

        1887 年,亞伯特‧邁克生(Albert Michelson)和愛德華‧莫立(Edward Morley)在美國俄亥俄州克里夫蘭所做的實驗是其中最有名的。他們的實驗儀器是一個巨大的石箱,裡面有許多鏡子及交叉的光線,可以精確地測出光速的變化。據此,當地球在太空中快速運動時,邁克生和莫立預測光束應該會改變,可是他們卻無法測出光束任何的變化,這讓他們很驚訝。愛因斯坦是否留意到這個特別的實驗一直為大家所爭論,但是他對時間與空間的嶄新分析倒是給這個意料之外的結果提供了一個解釋。

        在邁克生和莫立所測得的結果(或沒結果)出現後,愛因斯坦決定在他的特殊相對論中完全摒棄乙太的觀念,而從兩個基本假設著手。

        第一,任何一個做等速運動的觀察者都會有相同的物理法則;第二,不管光源運動速度的快慢,或是方向有別,光速 c 都是一定的。假若這兩個假設都成立的話,那麼我們對於時間的概念一定不正確,尤其是,兩件在同一座標系中同時發生的事情,在另一座標系中就不會同時發生。時間不是絕對的,它是相對的。

        因為測量長度時需要決定物體在同一時間前後端的位置,因此,這相同的相對原理必須適用到長度上,也應適用到物質與能量的數量上。因此,時間經過的速率也會因物體(或人)運動的快慢而有所不同,當人運動得越快,則時間經過得越慢;物體運動得越快,距離越短,物體也會越重。事實上,當一個有重量的物體到達光的速度時,時間會慢下來直到停止,沒有距離,而物體的能量則變得無限大。

龐加萊(Henri Poincare,1854-1912)|From: Wikimedia Commons

 

        愛因斯坦並非是唯一一個質疑時間絕對性的科學家或哲學家,在那個時代,許多人都沈浸在探討如何讓不同地點的時間同步化的問題上,原因之一是,這對各鐵路公司時刻表的相互配合很重要,愛因斯坦也對此有他自己的看法。根據蓋利森(Peter Galison)在他的書《愛因斯坦的時鐘,龐加萊的地圖》(Einstein’s Clocks, Poincare’s Maps)中所述,在愛因斯坦於伯恩的瑞士專利局任職的那個時代,要讓鐵路網中各站的時鐘都能同步是一項要求高度精密的行業,當時有很多的專利申請都是有關以信號來連結時鐘的設計。

        1890 年代時,天文學家和工程師都要會算出電的信號從一個地方傳到另一地方所需花費的時間,有些工程師甚至要來回都發送時間的信號,以補救可能發生的錯誤。

        當時在巴黎經度局任職的龐加萊經常思索「時間傳送」的問題。1898 年 1 月,他寫了一篇有名的哲理性文章〈時間的測量〉(The Measure of Time),討論時間同步只不過是兩個時鐘交換信號,再加上考慮到電或光的信號所需的傳送時間如此而已的可能性。龐加萊一直到 1900 年時才將他的想法應用到物理上,當時他受邀參加為了向運動物體的電動力學大師勞倫斯(H. A. Lorentz)致敬所舉辦的集會,他上台演講時表示,他已經可以將勞倫斯純數學上的時間觀念重新詮釋,做為實際上調整時間之用。

        然而,龐加萊卻無法揚棄真正時間(在乙太的座標系上),與在其他座標系上所測出的「表面時間」兩者之間的基本差異,也無法摒棄乙太的觀念。愛因斯坦將兩者皆拋棄,而得到了真正革命性的結果。

views