Relativism (Special theory of Relativity)

                    by Vincent CHAN WAI LUNG(1988~  )

同時

由於不同慣性座標的觀察者所觀測到的『光速』都是相同的，

因此『同時』變成是一種相對的概念而不再是絕對的。

 
事實上仔細一想：我們眼中所『同時見到』『不同地點』的景象，並不是同時發生的。

比較遠的景象必然較早發生，然後和較近的影像藉由光線『同時』進入我們眼中。

 
假想有一台接近光速的『電車』從月台邊通過，電車靜止時長度為2L。

電車中間坐著『甲』觀察者，而月台上有一位『乙』觀察者。

『甲』觀察者發現通過『乙』觀察者L/c秒後『同時』見到電車前後的燈閃了一下。

可是『乙』觀察者會發現車尾的燈先閃一下後，『車頭』的燈才閃一下。

 
因此 『同時性』不再是絕對的概念，

而是會因為處於不同『慣性座標』而有不同的觀察結果。

（但是事件時間的因果關係，不會因為處於不同『慣性座標』而有不同的觀察結果。

 
例如：『父子』關係不會因為處於不同慣性座標而被觀察為『子父』關係）

但是你所認為『同時』發生的事件，

 
對於另外一位觀察者而言，不見得同時而是有先後。

當兩事件的空間距離越遠，對於同時性看法的差異也越大。

 
因此不同兩地的事件『同時』發生，不再有絕對的意義。

相對論中最迷人的大概就是『同時性』、『時間延緩』、『長度收縮』

 
和『質能關係』等概念。

但也是大家最容易『知其然而不知其所以然』之處。

 
有興趣歡迎仔細品味本網站所設計的 相對論物理動畫。

 
你可能需要花不少的時間，嘗試與仔細觀察，去慢慢體會之中的物理。

 
不小心可能會走進『霧裡』 :)

以下將先分別介紹『時間延緩』和『長度收縮』，首先提醒你

這兩種現象是分別在不同慣性座標觀察同一事件可能觀察到的不同結果。

對於同一事件而言，並不會同時出現在 同一慣性座標的觀察者。

 
很多書中都沒有提醒這點，因而容易造成一般人更加的迷惘。

我們觀察事件時，並需要靠『訊息』傳達到我們的『觀測儀器或五官』。

若藉由『光』傳遞所觀測的訊息，由於『光』傳播需要時間，

因此不同慣性座標系內的觀察者對於『同一事件』所將接收到訊息

 
『時空』的記錄並非一致。

也就是說 觀察者對於『時空』的觀測結果（感覺）會有不同的記錄。

 
人們必須慢慢適應過去對於『絕對時間與絕對空間』不再存在的事實。

時間延緩 Time Dilation

歡樂的時光總是過得特別快！等待的時刻總是特別的慢！

這是我們心裡的感覺。

 
然而相對論中的『時間延緩』卻不是心理的因素，是客觀測量的結果。

 
想像一艘透明極快的太空船從我們眼前通過向右，太空船內向上發出一道光。

我們會看到光的行進方向朝向又上方運動。

 因此我們所感覺太空船內光線所走的距離，

比太空船內看到光僅是向上運動的距離長。

然而不管在太空船內或我們所測量出的『光速』卻都會是相同的。

 
這是否意味著我們測量的時間間隔比運動中的太空船內的時間間隔『長』，

也就是不同慣性座標系，時間的演進是不相同的。

 
當我們（甲）觀測另一（乙）與我們有相對運動的座標系時，

我們會發現乙座標系內的『時間』似乎走的較慢，所有事件的發生也較緩慢。

相對的

乙座標系內的卻也是感覺 我們（甲）座標系內的『時間』似乎走的較慢。

每個觀察者都發現和自己相對靜止座標內的事件都很正常的發生。

但是觀察和本身座標有等速度相對運動的慣性座標內的事件時，

都覺得『其他座標系統』都變慢了！

 
例如：三個在地面週期相同的原子鐘，兩個放到高速飛機上，一個留在地面。

兩飛機分別朝不同方向高速飛行一段時間後，回到地面時發現

 
曾經飛行的兩原子鐘顯示的時間都落後了。

回到地面後三原子鐘仍然維持相同週期繼續變化。

同樣的情形發生於心跳、反應的速率、細胞的老化...

所以想自己『老化』的速率變緩慢，就住在較高的山上或高速飛行的交通工具。

 
 雖然初看以上的結果很奇怪！但是想一想若有一艘透明的太空船以極高的速度飛去，

我們所觀察到太空船內的事件的訊息傳遞所需要的穿過的『時空』也越來越大。

 
只是這樣的時間差別只有在速度接近光速時才容易區分出來。

 
長度收縮 Length contration

 
愛麗絲夢遊記中 愛麗絲變小了是作夢時 虛構的事件。

然而『長度收縮』卻是實際可觀測到的現象。 

『長度收縮』指的是當物體以高速運動時，

物體沿著運動方向的長度會縮短，垂直方向則不變。

 
『長度收縮』不是所觀察高速運動的物體真的變形縮小了，

只是觀察的結果顯示其便短了。

 
想一想：當我們測量一物體的長度時，

是否需要『同時』觀測物體兩端和尺對齊處所標示的數值。

只是『同時』已經不再是絕對的，因此『長度』的觀測值也就不再絕對。

由物體兩端產生的訊號若同時抵達觀察者，

 
和物體同時運動的觀察者而言則不認為是同時發出訊號的。

記得看『星際大戰』中太空船以高速飛行時，

 
四周所觀察到的『時空』都開始扭曲，可不是隨便畫畫的。

以下舉一個實例：希望能讓你更清楚一點：

實驗室中可以測量到μ介子（一種基本粒子）的半衰期是 2.2μS.

也就是說若 μ介子以接近『真空中光速c』飛行時，

 
例如 以0.9994c飛行時走不到660公尺就會有半數的粒子發生衰變。

宇宙射線穿過大氣層時，會產生μ介子。並以接近『真空中光速c』飛行，

 
我們在地面上的觀測結果是『μ介子』衰變成半數時，

所走的距離遠超過660公尺（接近30倍）。

 
因此我們說μ介子以接近光速飛行時，他們座標內的時間變慢了。

μ介子飛行座標內的2.2μS相當於地面上2.2×30=660μS。

以上是以我們地面上的觀點所描述的情形。也是實際實驗測量的結果。

 若是轉為和μ介子一同運動的觀察者，將會發現地面以接近光速的方式向他們逼近。

 
μ介子們仍然以2.2μS的半衰期衰變，但是卻發現該座標和地表間的距離縮短了30倍。

在半衰期的時間內，μ介子們在自己的觀察座標內認為自己走了 660公尺。

 
可是這 660公尺卻對應地面座標所刻畫的 660×30=19800公尺。

同一事件不同的慣性座標的詮釋不同。

舉另一個假想的例子

一輛很長的『電車』靜止時的長度是山洞寬度D的 30倍長。

若『電車』以V=0.9996c的速度開過山洞時，

 
在某一瞬間車外的人發現『電車』頭尾正好和山洞等長度，完全消失看不到電車。

電車外的人認為電車變短。（電車頭尾的光若同時到達觀察者，則...)

可是相對的

電車內的人卻發現山洞已經不再是山洞，而僅是寬度D/30的小圍籬而已。

電車內的人認為山洞變短了。