愛因斯坦的以太 - 科學人雜誌- 遠流

- 依據廣義相對論，真空具有物理特性，在此觀點下，以太是存在的。

在20世紀初 ... 購買本期 瀏覽全文前往科學人知識庫 形上集 愛因斯坦的以太 2011-09-01 高涌泉 -依據廣義相對論，真空具有物理特性，在此觀點下，以太是存在的。

在20世紀初，也就是在馬克士威過世約四分之一世紀後，幾乎所有物理學家都相信依賴以太概念的馬克士威電動力學違背了相對性原理，既然馬克士威理論與實驗全然相符，所以出錯的當然是相對性原理。

能夠不受這個集體偏見影響的只有在瑞士專利局上班的年輕愛因斯坦，以及數學大師龐卡赫等極少數人。

不過深信電動力學定律與相對性原理相容是一回事，能夠把其間道理講得清清楚楚則又是另一回事。

愛因斯坦自己也要在思索了這個問題七年之後，也就是直到1905年，才恍然大悟關鍵在於時間：傳統的絕對時間概念必須拋棄，也就是「同時性」沒有絕對的意義；譬如說，若有兩個事件對於靜止於月台的觀測者而言是同時的，則對於在鐵軌上等速前進的火車中的觀測者來說，這兩件事並不會同時發生。

這個想法當然極為奇怪，不過也只有如此，才能融合電動力學與相對性原理，也才能說明光速何以對於任何觀測者而言都是一樣的。

當然，愛因斯坦在提出嶄新的時空觀之後，也必須修改牛頓的動力學定律，以便讓力學現象依舊遵循相對性原理，E＝MC2這個著名公式也因此而出現。

所以，愛因斯坦的狹義相對論的主旨就是在所有慣性座標系中，物理定律都是一樣的，即物理方程式有相同的形式；換句話說，一切慣性座標系都是等價的，觀測者不能僅憑物理定律來判斷自己是否在等速運動。

狹義相對論雖然非常漂亮地解決了大難題，但是也有明顯的不足之處。

首先，狹義相對論的相對性原理只局限於慣性座標系之間的相對性，如果碰上加速座標系就失效了；其次，牛頓的萬有引力是一種瞬時的超距力，違背了光速是速度上限這個狹義相對論原則。

所以物理學家就面臨了兩項挑戰：(1)如何推廣原本只適用於慣性座標系的相對性原理，以適用於任意座標系；(2)如何建構出符合相對性原理的重力理論。

在牛頓力學中，相對性原理是無法推廣至加速坐標系的。

想像我們坐在等速前進的火車廂內，一旦火車加（減）速，我們會馬上感受到往後（前）的慣性（假）力，如此一來，就察覺了自己在改變運動狀態，因此加速運動是絕對的。

所以儘管大半物理學家都認同萬有引力理論應該修正以避免牴觸狹義相對論，卻未必認可狹義相對論應推廣至廣義相對論的必要性。

不過愛因斯坦有不同的看法。

愛因斯坦年輕時熟讀過奧地利物理學家馬赫所著《力學的科學》，極為信服書中對於牛頓絕對空間概念的犀利批判，所以愛因斯坦對於將相對性原理推廣至一般狀況，一直有很高的期待。

但怎麼著手呢？突破時刻發生於1907年，他那年想到了「一生中最快樂的點子」︰對於一位從屋頂自由落下的觀測者而言，重力場並不存在。

因此「重力場與因電磁感應而產生的電場類似，其存在只有相對意義。

」換句話說，愛因斯坦體認到因加速度而產生的慣性力，與重力是不可區分的，兩者是同一回事，我們無從以慣性力來判斷自己是否在運動！ 因此愛因斯坦認定推廣相對性原理與建構新重力理論其實是同一項任務，也找到了切入點：依據狹義相對論，同樣的鐘只要位於（任意）加速坐標系中不同位置，其指針就可以有不同的走速，而同樣的尺只要是位於不同地方就可以有不同的長短；從這認知出發，愛因斯坦很快就想到時空是彎曲而不是平坦的，而且重力現象可以看成是彎曲時空的幾何效應。

順著這條路努力走下去，愛因斯坦終於在1915年11月底找到描述彎曲時空（即重力場）的方程式；這個方程式的形式在廣義座標變換之下不會改變。

他後來反省說：「依據廣義相對論，真空具有物理特性，在此觀點下，以太是存在的。

」也就是說，愛因斯坦把描述彎曲時空的度規張量看成是一種新類型的以太，因為它不是物質，卻又具有物理性質。

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