柔軟的時空：時空並非一個固定不變的舞臺，它也參與者萬物的運動

在物理學界中，對創造感到最令人愉悅的就是徹底掙脫已知事物和常識的枷鎖。那些天才般的靈感迸發把我們帶進了一個個未知領域。狹義相對論亦是如此，它打破固有時空觀念，表明空間和時間並非是一個冷冰冰的舞臺，它們也參與著世間萬物的表演，這充分印證了一句話：你看的並非都是真實的。所以上帝擅長並喜歡矇蔽我們的眼睛和直覺，怎麼辦？就交給愛因斯坦吧。那我們要怎樣更好的理解相對的長度、時間和質增這三個模糊的概念呢？

首先了解“本徵”和“相對”的概念

為了更好的說明狹義相對論效應，愛因斯坦特別引用了“本徵(意為“自己的”)和“相對”這兩個概念。如果我們本身是固定的不動的,這時觀察一根固定的量杆和時鐘,我們所看到的長度和時鐘便是“本徵”長度和“本徵”時間。本徵長度和本徵時間看起來永遠都很正常且合理的。如果我們固定不動,而量杆和時鐘相對於我們是快速運動,這時這根量杆的長度便是“相對”長度,這個時鐘的時間便是“相對”時間。相對長度永遠比本徵長度短,相對時間永遠比本徵時間慢和久。

相對論時間膨脹說的什麼

這一對雙胞胎一個留在地球上,一個上了太空船去太空航行。等到他回來的時候卻發現他比他的兄弟年輕

你在自己的手錶上看到的時間是本徵時間,一個人在你面前經過時,你在他手錶上看到的時間是相對時間。你在自己的量杆上看的長度是本徵長度，一個人從你面前經過,你在他的量杆上看到的長度是相對長度。他的相對時間在你看來比較慢,他的相對長度在你看來比較短。不過,若是從他的觀點看,則他是靜止的,你是運動的,於是整個情況便倒轉過來。

現在假設我們在一艘太空船上面,我們規定每15分鐘按一次信號按鈕，把一種信號傳回地球。我們的速度逐漸加快,這時地球上的人員發現,我們的信號不再每15分鐘到達一次,而是17分鐘,然後是20分鐘。幾天以後,我們的信號每兩天才到達一次,弄得地球的人很詫異，說好的15分鐘呢（如果他們還不瞭解相對論）。我們的速度依然在增加,於是我們的信號變成幾年才到達一次。最後,在兩次信號之間,地球上已經過了好幾代。

愛因斯坦的理論已經通過各方面的證實,結果總是非常正確。

關於時間膨脹的科學證明

科學家研製成一種新儀器，可以利用因宇宙射線與地球大氣碰撞而形成的基本粒子——μ介子

關於時間的膨脹,最普通的證明是高能粒子物理學。μ介子是一種很輕的元素粒子。這種粒子是在大氣層上空因為質子(一種“宇宙射線”)與空氣分子的撞擊而產生的。若是用加速器製造μ介子,這樣的μ介子的生命很短。它們的生命短到無法從大氣層上飛到地球。它們等不及穿越這一段行程,早就衰變為別種粒子。但是,我們在地球表面就檢測到很多μ介子。

為什麼宇宙射線製造的μ介子生命比較長?宇宙射線製造的μ介子生命比加速器製造的長7倍,為什麼?答案在於宇宙射線與空氣分子撞擊之後所產生的μ介子,比用實驗技術製造出來的μ介子速度快了很多。宇宙射線製造的μ介子速度大約是光速的99%,時間的膨脹在這樣的速度已經非常明顯。對這些μ介子自己而言,它們的生命沒有增長。不過就我們的觀點而言,它們的生命卻比慢速的時候延長了7倍。

狹義相對論告訴我們,這些高速粒子本身的生命其實並沒有延長,不過是時間的相對流動率變慢了。

相對論尺縮效應是什麼

靜止狀態的觀察者看到運動狀態下的人，會發生尺縮效應

根據狹義相對論，一個運動的物體會隨著速度的增加而在運動方向上收縮。

物理學家特雷爾曾經以數學表述的這種收縮現象很像一種視覺上的錯覺。跟真實世界投射在柏拉圖洞穴牆壁上的影子一樣。

這是柏拉圖在《理想國》514-521中描述的對人類知識的基本想象。

柏拉圖有個很有名的比喻：一個洞穴裡有一群人被鐵鏈鎖著，他們只能看到牆壁上的影子。這些人知道的世界就是這些影子。有一天，一個人逃到了外面的世界，耀眼的陽光使他睜不開眼睛。等他習慣以後，他才發現也明白了這才是真實的世界，以前他們所知的世界只是真實世界的投影。等他回來告訴同伴自己看到的世界，同伴不相信都以為他瘋了。這個類比,可以形象地幫助我們瞭解實相與幻象的差別。

特雷爾對尺縮效應的解釋

圖a畫的是從頭頂和球形上方俯視下來的情形，虛線連接球型兩側的兩點和我們的眼睛。

特雷爾說明的第一個步驟就是從球形側邊兩點對著球形正下方的一張幕畫線。換句話說,假設這個球是在你的正前方,這兩條線就好比從球的側邊兩點垂直掛下來一樣。把手機拿在你的正前方看，圖B就是這種情形,這時你的眼睛就相當於圖A人物眼睛的位置。

現在假設這個球以相對於光速算是很快的速度從右邊向左邊運動。因為這個速度夠快,所以便發生了很有意思的事情。譬如說,本來球會擋住球左後側的光線,使我們看不到。右邊的情形剛好相反,發出光信號的地方通常是在球的“後面”。球就在這些點和我們之間由右向左運動。但是,因為球現在是向左運動,所以來自球的前面點的光信號都被球擋住了。這樣,由球“後面”發出的光信號我們便全部看見了。這種情況造成的結果就是種視覺的錯覺。那就是,我們看到的這個球好像有人順著軸心在轉它一樣。

現在我們再來看看球兩側的點投射在幕上面的距離。從圖C我們可以看到,這兩點投射在幕上的距離比球剛開始運動的時候短了很多。狹義相對論裡面的方程式說到由運動產生的收縮,也就是在說這些投影球因為快速運動,所以一方面跑進自己的一部分光信號裡面,一方面又同時跑出自己的另一部分光信號之外,這種事使球看起來像在旋轉。這就是使球上面任何與運動方向成直線排列的兩點的投影距離變短,情形好比有人在旋轉這個球一樣。球的運動速度越快,看起來越像是在“轉動”,幕上投射的兩點也就越短。所以,收縮的其實是投影。現在,只要把“幕”代換成“從我們的參考架構看到的球”,我們就得到了特雷爾對相對論收縮的解釋。

運動的時鐘產生的時間膨脹,以及運動的物體產生的質量的增加,迄今還未有相關的解釋。

相對論質增效應是怎麼回事

愛因斯坦生平大事記

狹義相對論說,一個運動的物體,其質量隨著運動速度的增加而增加。牛頓力學對這一點會毫不猶豫地斥為胡說。可是牛頓的經驗其實很有限,僅限於和光速比較起來很慢的速度。

• 古典力學速度可以無限增長

古典物理學告訴我們說,一個運動的物體若要增加速度，例如：每秒0.3米的時候必須施加某一個量的力。我們只要知道這個量是多少,那麼不論什麼時候,只要我們想使這個物體增加每秒(0.3米)的速度,我們只要將這麼多量的力施加在上面就可以了。如果物體現在的速度是每秒30.48米,那麼這個量就會使它的速度增加為每秒30.78米。根據牛頓物理學,如果這個量可以使物體速度由每秒30.48米增加到30.78米,也就可以使同一物體的速度由每秒2438.4米增加到2438.7米等等。

• 動能越大物質擁有的總能量越高

事實上牛頓物理學錯了。要使一個運動速度每秒2438.4米的物體速度增加每秒0.3米,所需要的力比從每秒30米增加每秒0.3米要多。

這是因為物體運動越快,動能越多,這些多出來的能量使物體彷彿多了一些質量。這個道理就好比對一部卡車在一段時間之內施加一個量的力,這部卡車增加的速度比對一列火車在同樣時間之內施加同量的力增加的速度多,這當然是因為火車的質量比卡車多的緣故。我們的物質能量包含靜態能量（MC²）和動能，動能越大，物質擁有的能量越高，能量又和質量等效，所以會造成質量的增加。

• 物質本身的質量並沒有增加

因為這個道理,所以粒子在高速運動的時候，它的動能彷彿使它比慢速的時候有比較多的質量。實際上,狹義相對論已經告訴我們,一個運動的物體,其實際質量並不會隨速度的增加而增加。

大部分亞原子粒子運動速度並不一定,所以各自皆有多個相對質量。因此,物理學家計算的粒子質量是“靜止質量”(rest mass)靜止質量就是粒子不運動時的質量。當然,亞原子粒子從來不曾真正靜止過,但是這些計算數字提供了一個統一比較粒子質量的方法。這種統一的方法是必要的;因為,粒子的速度一旦接近光速時,它的相對質量就要看它的速度多快而定。

這就是狹義相對論為我們帶來的三大違背常識的事實。我們能做得就是盡力更好的理解這三個效應，因為我們宏觀物質處在低速狀態，是無法看到超光速得世界是什麼樣子的。