時間存在與否?—《相對論百年故事》 - PanSci 泛科學
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在愛因斯坦的狹義相對論中,時間變成閔氏時空連續體的一部分,時間連作為約定的符號的獨立性也都失去了;這時,光速c,這個獨立於任何參考座標的速度上限,扮演了把各個 ...
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時間存在與否?—《相對論百年故事》
PanSci
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掌握時間的本質是困難的,但時間的問題卻是如此誘人。
圖/Pixabay
百年來,當年愛因斯坦的〈相對論的基本構想和問題〉一直頑固地盤繞在廣義相對論的光環上,逼視世人。
其中的關鍵就在於時間的概念一直未能釐清。
掌握時間的本質是困難的,但時間的問題卻是如此誘人。
文獻上記載著無數有關時間的想法和概念,其中高低抽像難易五花八門——有的是蒙塵的鑽石,有的看來閃亮奪目卻原來是砂礫,讓時間的概念看來更為迷惘不清。
本文首先要讓讀者們來趟揭開時間謎樣面紗的歷史旅程。
歷史的進程,潮起潮落,冥昭瞢闇,知性的幽光始終不斷。
但希望在這趟特別旅程的終點,讀者們都能卸下時間面紗直探宇宙真理,更重要的是讓我們在了解當前的處境後找到再出發的據點。
遠早的古希臘時期,艾菲索斯(Ephesus)的赫拉克利特(Heraclitus,535-475B.C.)已謂嘆著「無人曾涉足過同一條河流兩次」,因此「萬物皆流動」,時間也是如此。
孔子也用「逝者如斯,不捨晝夜」來比喻時間的流逝。
但是埃利亞(Elea)的芝諾(Zeno,490-430B.C.)卻辯稱「飛行中的箭矢是沒在運動的」,所以時間只是人類觀感的幻覺。
「時間是什麼」仍然是直觀具體卻又抽象難以掌握的概念。
一直到大約兩千年後的桂冠天才牛頓,於1687年首度發表的《自然哲學的數學原理》中主張「絕對的、真實的和數學的時間,它自身以及它自己的本性與任何它的東西無關,它均一地流動,……。
」這是人類首次以具體量化論述,把絕對的時間流動闡明成一個具備本體存在的事物。
在牛頓的宇宙意象當中,時間的流逝獨立於任何感知者的狀態,以一致的步調均勻前進。
現代文明深深植根於牛頓的典範裡。
我們日常生活和思考如「動量」、「能量」、「衝量」等概念都來自牛頓力學,統稱為「牛頓的世界」。
在這世界裡面,時間均勻流逝,空間無限延伸。
到了1898年,有最後的通才之稱的亨利.龐加萊(HenryPoincare)在其〈時間之測量〉論文中結論說:時間的定義就是要讓運動方程變得簡單;這時龐加萊剝奪了時間的本體性,讓它變得只是描述運動的約定符號而已。
當愛因斯坦嘗試發展狹義相對論時,更發現我們的經驗感知是如此不可靠——在狹義相對論中時間完全失去客觀性,連我們習以為常的同時性的概念,都端視於我們當下的運動狀態而定,毫無直覺的客觀性可言。
狹義相對論不單很精準地被實驗檢視,更催促著人類社會從古典邁進現代的步伐;只有愛因斯坦的好友哥德爾(Gödel)喃喃低嘆:「如果時間的流動表徵著現在的存在不斷產生新的存在,這不可能有意義地把存在相對化」,只是言者諄諄,聽者藐藐。
「人們偶爾會碰到真理,但大都只拾起看看,隨手丟掉,然後趕快尋找下一個目標,好像甚麼都沒發生一樣。
」邱吉爾如是說。
在愛因斯坦的狹義相對論中,時間變成閔氏時空連續體的一部分,時間連作為約定的符號的獨立性也都失去了;這時,光速c,這個獨立於任何參考座標的速度上限,扮演了把各個慣性座標聯繫一起的羅倫茲變換的推導的基石。
圖6-2就是愛因斯坦的狹義相對論中的世界圖像:光錐中每一條通過原點的直線都是觀察者的時間軸,但在不超光速範圍内,事件的時間排列次序是絕對不變的。
重力及等效原理在愛因斯坦廣義相對論裡就是時空彎曲的結果,各個時空攜帶著它們自己的時間,時間排列不再可能是絕對。
針對時間存在與否的問題,首先具體發難的是愛因斯坦尊敬的好友,常常一起在普林斯頓的林蔭路上散步討論的哥德爾,這位外表看來稍嫌瘦弱,卻是世紀最偉大的邏輯專家,為了表達對愛因斯坦的友好及對廣義相對論的尊崇,特別撰寫了這篇後來名為〈哥德爾宇宙〉的論文。
原本是準備在1949年愛因斯坦的70歲生日上獻給愛因斯坦的生日禮物,反諷的是反而在廣義相對論中有關時間的問題上捅出大簍子。
在這絕對嚴格符合廣義相對論方程的哥德爾轉動的宇宙中,吾人可以從p點出發一路旅行到q點去,奇怪的是,q點在時間上竟然是p點的過去——如果能回到過去,那過去就沒有「過去」,那時間定必是幻覺而已!愛因斯坦對哥德爾論文的反應是:
「這時間的問題在我開始構思廣義相對論時便一直困擾著我,但我一直都無法釐清。
」
雖然後來劍橋大學的史蒂芬.霍金(StephenHawking)提出「時序保護」策略,以規避人們旅行回到過去的可能來挽救廣義相對論的時序矛盾,然而,只圖一時方便的建議,只是知性上的怠惰,並沒有正面迎戰問題,比愛因斯坦認為「這種解會被符合物理世界的宇宙排陛來得勉強。
儘管廣義相對論乃百年來最令大家崇敬的人類文明成就之一,它通過了無數不同實驗的檢驗,其應用更是從日常生活中的衛星定位系統(GPS)到宇宙中用來檢測遙遠星系的愛因斯坦重力透鏡。
廣義相對論的蹤影無處不在,然而,在有關時間的概念及其本質的問題上,廣義相對論不單沒有產生釐清定廓的作用,反而招來更多充滿矛盾的謬思;尤其是在量子化重力的問題上,「時間從何而來?」、「其性質又是什麼?」文獻上的描述大都神祕難明,甚至到了不知所云的地步。
時間的概念在廣義相對論中表面上雖然存在著無可克服的困難,但其實真正防礙人們作出突破性思考的反而是人們自己的知識所編織造成的成見及幻覺。
引用美國加州理工學院基普.索恩(KipThorne,世界最昂貴的,偵測銀河中的黑洞及黑洞碰撞的重力波訊號實驗〔LIGO,LaserInterferometerGravitationalWaveObservatory〕的主持人,也是電影《星際效應》(Interstellar)撰稿者之一,是多才多藝的物理教授)的話做結論:
「生命都希望活存在老化比較慢的地方,而重力就會把他們拖曳到那裡。
」
差不多是廣義相對論發現後半個世紀的1958年,向來以話語鮮少而著稱的量子力學奠基者之一的狄拉克(Dirac),在他那篇向英國皇家學會提出的論文中,曾於檢驗了廣義相對論的正則哈密頓量(Hamiltonian)後,一而再地(一次在摘要、四次在結論)強調:「四維時空對稱」不是物理世界的基本對稱。
簡單來說就是時間在物理上不可能等同空間,所以世界並不擁有如廣義相對論所宣稱的絕對四維協變對稱。
1967年在西雅圖大學召開的巴特爾國際會議,目的在於希望透過數學及物理上最尖端課題的連串研習,激盪與會者的腦力、促成對話與思辨。
在上一個世紀的60年代,這是學術界希望透過群策群力的合作來完成有關廣義相對論的真理拼圖的重要舞臺。
舞臺上的主角之一就是喊出:「重力告訴物質如何運動,物質告訴重力如何彎曲。
」這廣義相對論典範的約翰.惠勒(JohnA.Wheeler);同年,也命名了「黑洞」。
同時也是索恩的老師的惠勒睿智地指出:「只因為一個簡單的理由,幾何動力學中四維幾何是沒有意義的,因為沒有任何一個概率振幅在超空間(superspace,即抽象的所有三維幾何的空間)中傳播時可以無限精確地峰值在一個波包上。
」這只是海森堡測不準原理的簡單應用而已。
當我們要無限精確地局限一個粒子的所在時,我們便同時失去有關粒子所攜帶的動量的所有訊息,因此經典時空,只是個有限度適用的概念,頂多在半經典狀態下能夠勝任而已。
只是,拋卻了四維幾何後,理論也同時失去了時間——這時連我們的偉大導師與先行者如惠勒也錯誤地認為時間只是幻覺,因此喊出:「沒有時空,沒有時間,沒有過去,沒有未來」。
舞臺上另一名要角就是與惠勒一起發表了被認為是重力量子場論中最基本的惠勒-德威特方程,來自北卡萊大學的德威特(BryceS.DeWitt)。
可是這重力量子場論中惠勒-德威特方程卻沒有明確的時間存在内。
德威特因而導致革命性地提出「時間」必須「內蘊」地由理論中的場變量來決定。
可惜,惠勒-德威特方程另一個重大缺憾乃來自其包含對時間二次導數的先天本質。
其問題在於,一個具二次時間導數的方程將會無可避免地讓就算是事先準備得好好、一開始有著正機率密度的波函數,在演化的過程中使機率密度變成負值;這是需要機率密度必須為正值來詮釋波函數的物理涵義的量子力學絕對不能承受的後果。
五十年來無數天才殫精竭慮地希望彌補惠勒-德威特方程的缺失,例如提出莫名其妙的三次量子化程序等,卻無不鎩羽放棄,儘管廣義相對論不斷產生更多疑問與混淆的概念,人類的文明隨著時序的流動毫不猶豫地邁入21世紀——一個未來可能充滿更多不確定性的世紀。
本文摘自《相對論百年故事》。
中華民國重力協會主編,大塊文化出版。
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國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。
古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」
月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎?圖/GIPHY
月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。
目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(TheGiantImpact)。
今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。
大碰撞起源:月球是從地球分出去的?
大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。
一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。
這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。
月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。
大碰撞學說中,月亮形成的過程。
圖/wikipedia
聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。
首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。
這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。
據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。
大碰撞學說通過了第一關!
在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。
同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧16、氧17、氧18)在物質中各占多少比例。
這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。
也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。
不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。
其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。
除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。
類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。
種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。
圖/wikipedia
六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎
如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。
目前的一個疑點是揮發性物質的存在。
大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。
要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。
由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。
想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。
蘇黎世聯邦理工學院的PatriziaWill所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。
這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。
形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。
這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。
光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石LAP02436。
圖/ETH
要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。
這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。
實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「TomDooley」。
TomDooley是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。
儘管取名的來由十分詭譎,但是這座TomDooley質譜儀威力十足。
它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchisonmeteorite)。
目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchisonmeteorite)。
研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用TomDooley進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。
它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。
從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。
這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。
這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在ScienceAdvances期刊中。
這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。
往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。
美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。
圖/GIPHY
參考資料
Will,P.,Busemann,H.,Riebe,M.,&Maden,C.(2022).IndigenousnoblegasesintheMoon’sinterior. Scienceadvances, 8(32),eabl4920.OnemorecluetotheMoon’sorigin
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linjunJR
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不喜歡算數學。
喜歡電影、龐克、和翻譯小說。
不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。
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圖/王湘(典藏者|中央研究院歷史語言研究所)
甲骨文是商朝王室執行占卜儀式後,留下的文字紀錄,多刻在龜甲或牛、鹿等獸骨上。
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圖/中央研究院歷史語言研究所
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由助研究員黃約伯(YobuLosing)諮詢烏來劉立雲長老後,以母語「Squliq泰雅語」書寫展覽介紹,展出做工精緻的貝珠衣盛裝、三民主義紋樣的當代織布、以泰雅族北勢群的傳統圖紋設計的國小制服等文物。
此外,展區也介紹兩檔與野桐工作室、宜蘭縣武塔國小和宜蘭縣史館合作的泰雅族部落共作展,呈現從早期典藏研究到近期與部落合作策展、復振文化的歷程。
「泰雅人的部落與智慧」展區以「Squliq泰雅語」呈現,慣用中文的觀眾可借助中文解說板對照族語閱讀。
圖/研之有物
以族語敘事的展示概念也出現在達悟族文物展區,策展人臺大人類學系助理教授黃郁茜以「蘭嶼達悟人的美感世界」為主題,介紹當地的古謠文化。
走進展區耳邊響起族人吟唱古謠的歌聲,達悟族是世界上極少數不製造樂器的民族,卻流傳著書籍角色般的古謠,記錄下歷代族人的生活點滴。
族人以「yatomapeikaviyaviyasen」(吟唱者詩歌由耳朵貫穿聆聽者全身)描述歌聲的優美,展現其獨特聲腔共鳴所營造的美感世界。
「蘭嶼達悟人的美感世界」展區以古謠文化、儀式飾物、生活用品等,展現達悟人的儀式與生活美感。
展區背板模擬傳統家屋背山面海的環境。
圖/研之有物
民族所也關心正名運動等時事議題,副研究員劉璧榛特別策劃「叫我原住民族!」展區,透過訪談原運前輩,並展出《高山青》雜誌、《原住民》會訊、新聞簡報與歷史照片等文獻,帶大家回顧1980年代以來原住民族爭取自治、文化與土地權的歷史。
此區也展出近20年來陸續正名的族群及相關文物,包含葛瑪蘭族的香蕉絲織布、撒奇萊雅族及拉阿魯哇族的祭儀服飾等,呈現族人以推動族語、歌舞展演、祭儀與技藝復振等方式獲取社會認同的軌跡。
新展區「叫我原住民族!」展出多件正名運動中具代表性的文物。
圖/研之有物
展櫃玻璃上還隱藏小巧思,當我們在觀看擬真重現的臺南頭社西拉雅太上老君祭壇時,玻璃上若隱若現的族人身影形成一道人牆,讓我們彷彿站在族人身後觀看祭壇儀式。
同時也提醒觀者尊重祭壇的神聖性。
由此可知,宗教儀式的復振對西拉雅族人的重要性,如今族人仍持續藉此凝聚共識、爭取正名。
民族所博物館期許新的展示能具有當代性,凸顯人類學的研究過程、納入多元聲音、反思權力關係,也反映原住民族文化復振、話語權等議題,進而呈現當代研究型博物館的新樣貌。
【民族學研究所博物館】
開館時間:每週三、五、六,9:30至16:30免費參觀
地址:臺北市南港區研究院路二段128號民族學研究所內(胡適公園對面)
常設展:凌純聲先生紀念展、臺灣原住民文化展、臺灣漢人民間信仰、三零年代中國南方邊疆民族典藏展
當期特展:「跟人類學家喝茶去」特展(展至2022年10月29日)
更多資訊:官方網站、官方臉書、開放博物館線上展、共作展覽
民主硬漢熱血金句連發!胡適:愛自由比麵包、生命還重要
一走進胡適紀念館,即可見到胡適先生面帶微笑迎接訪客。
建議先在陳列室了解胡適生平,再參觀故居遙想其晚年生活,最後前往胡適墓園憑弔先人。
圖/研之有物
你可能不認識胡適,但你一定聽過下列這些經典語錄!
「要怎麼收穫,先那麼栽。
」「大膽的假設,小心的求證。
」「你不能做我的詩,正如我不能做你的夢。
」
這些常出現在校園牆上的箴言、國文課讀的〈母親的教誨〉、歷史課念的德先生與賽先生,讓胡適陪伴我們度過青澀的求學時光。
但你是否會好奇,是什麼樣的時代背景與人生際遇造就今日的胡適?中研院近代史研究所胡適紀念館特別在2021年12月17日,胡適130歲冥誕當天,開幕新特展「如果我是胡適:關於自由和民主的思考題」。
由經典名言引路,精選大量時論文章,帶我們了解胡適一生追尋的「自由」與「民主」思想,如何萌芽、成熟,又遭逢什麼樣的轉折?
特展「如果我是胡適:關於自由和民主的思考題」,紀念胡適130歲冥誕,回顧其追尋自由與民主的一生。
圖/研之有物
特展展間特別收錄「胡適談自由」演講原音,你可以在胡適鏗鏘有力的演講聲中,閱覽精心整理的文獻,體會胡適「愛自由比麵包還重要」的民主硬漢精神!
胡適(1891-1962)原名嗣穈,民初的知青多少受到達爾文「物競天擇,適者生存」理論的影響,胡適也不例外,自行改名為「適」,可見西方思潮對胡適的深遠影響。
胡適的啟蒙導師是父親胡傳,他親筆為不滿三歲的兒子編寫一部四言韻文《學為人詩》,這是胡適念的第一部書,可見東方哲學與西方思潮同為塑造胡適思想的養分。
圖/研之有物
胡適崇尚個人主義、獨立自主,而這正是自由、民主得以發展的基石。
然而,出身東方社會的胡適卻須「容忍」某些習俗,其婚姻便是傳統的「父母之命」。
14歲時由母親為他訂下婚約,儘管心裡抗拒,但為了不讓寡母傷心、不忍未婚妻苦等,終究在1917年完成學業後與江冬秀女士完婚、相守偕老。
我們可從胡適留下的書信中,看到他嘗試在自由思想和親情壓力間尋找出口。
1917年1月16日,他在〈病中得冬秀書〉中轉換了心境,對何謂「自由」有了新的體悟:
豈不愛自由,此意無人曉;情願不自由,也是自由了。
「容忍」不僅體現在家庭、婚姻等私領域,更是胡適提倡的自由主義中相當重要的理念,他認為在擁護民主的同時,也要容忍反對黨,保障少數人的自由權利。
尤其在《自由中國》刊物活躍期間,一度掛名發行人的胡適更加強調「容忍是一切自由的根本」,希望政府能容忍知識份子對施政的評論。
另一方面,胡適對於媒體的職責也有所提醒,今日朗朗上口的「有幾分證據,說幾分話」就是出自胡適對《自由中國》創刊十週年的勉勵。
可惜1960年9月雷震案爆發,《自由中國》負責人雷震以涉嫌判亂罪被捕,胡適為其求情未果,深感數十年來爭取言論自由的努力落空,不禁萌生無力與悲哀感,身體狀況也每況愈下,只能寄望未來世代能實現自由民主理念。
特展呈現多則胡適對自由民主的經典發言,也設計了留言互動區,想想如果我是胡適,面對國家危急之際,該怎麼做?圖/研之有物
常設展的最後一個展櫃有一本胡適臥房裡的日曆,時間停留在1962年2月24日,這天剛好是中研院第五次院士會議,長年飽受心臟病之苦的胡適出院不久即勉力主持會務,不幸在下午舉行歡迎酒會時病情復發,一代哲人就此與世長辭。
來到中研院,漫步胡適紀念館、故居及墓園,如同閱讀一本前人為民主開路的血淚史。
在胡適逝世60年後的今日,自由民主已成為臺灣根深柢固的價值,胡適天上有知,應會感到欣慰吧!
日曆停在1962年2月24日,胡適晚年身體欠佳,住處還設有多處警鈴,以防緊急狀況發生。
圖/研之有物
胡適與夫人長眠於中研院旁的山丘,現為胡適公園。
長子胡祖望之墓、次子胡思杜紀念碑陪伴在側,一旁還有楊英風塑造的胡適半身像、刻滿胡適墨寶的箴言牆。
圖/研之有物
【胡適紀念館】
開館時間:每週三、五、六,9:00至17:00免費參觀
地址:臺北市南港區研究院路二段130號
當期展覽推薦:特展「如果我是胡適:關於自由和民主的思考題」
更多資訊:胡適紀念館官網、官方臉書、環景導覽
延伸閱讀
生態方舟啟航!探索中研院標本館與淺山森林別再說她是狐狸精!主持祭祀、帶兵作戰,上古惡女妲己的歷史轉型正義殷墟考古大發現!走進上古商王的洗澡間,青銅熱水器、去角質小道具「故鄉啊,你還記得我們嗎?」中研院泰雅文物回原鄉今天就去胡適家走走吧!胡適紀念館
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不用數學就可以解釋——相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」
賴昭正
・2022/08/26
・6632字
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愛因斯坦(58)
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國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
文/賴昭正前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊
你聽過「雙胞胎悖論」嗎?
我有時會問自己,我是如何發展相對論的。
我認為其原因是:一個正常的成年人從不去思考空間和時間的問題——這些都是他小時候就想到的;但我的智力發育遲緩,因此長大後才開始思考空間和時間。
——愛因斯坦(AlbertEinstein)),1921年諾貝爾物理獎得主
1905年,愛因斯坦在題為「關於運動物體之電動力學」的論文裡,從兩個簡單的假設,得到結論謂如果張三與李四相對運動,則張三會認為李四的手錶跑得比較慢。
在證明這一稱為「時間膨脹」(timedilation)的現象後,寫道:
由此產生以下奇怪結果。
如果(開始時)A點和B點在(靜止坐標)K中觀察是同步的(即同一時刻),但A處的時鐘以速度v沿AB線到B,則在到達B時,兩個時鐘將不再是同步:移動到B後的A時鐘將落後於保持不動的B時鐘…。
我們得出這樣的結論:如果兩個A處同步的時鐘,其中一個以恆定速度沿閉合曲線移動t秒後返回A處,則保持靜止的時鐘將發現剛返回的時鐘慢了tv2/(2c2)秒(c為光速)。
昨天才校正過的手錶,怎麼現在又慢了?難道我是在黑洞附近?或是該換新手表的時候了?圖/作者提供
或許是怕像筆者這樣智力發育遲緩的讀者難懂,愛因斯坦於1911年重申並詳細說明這一現象如下:
如果我們把一個活的有機體放在一個盒子裡……我們可以安排這個有機體在經過任意長時間的飛行後,在幾乎沒有改變的情況下返回到它原來的位置。
此時保持在原來位置的相應有機體已經早已讓位於新一代,但對於移動的有機體來說,只要運動以接近光速進行,漫長的旅程只是一瞬間而已。
名物理教科書作者雷斯尼克(RobertResnick)更清楚地解讀謂:
如果靜止的有機體是一個人,而旅行的是他的雙胞胎,那麼旅行者回到家時會發現他的雙胞胎兄弟比自己老得多。
但在相對論中,任何一個雙胞胎都可以將另一個視為旅行者,因此再碰面時將比他自己年輕。
這在邏輯上看來是一個矛盾的現象,因此被稱為「雙胞胎悖論」(twinparadox)。
「雙胞胎悖論」可以說是相對論中最著名的想像實驗,為許多教科書與通俗科學文章所討論的對象;但筆者卻發現在「泛科學」裡只有一篇書評的文章中提到它!
難道真如諾貝爾獎得主普朗克(MaxPlanck)所說的:「一個新的科學真理之所以勝利,不是因為說服了它的對手,讓他們看到了光明,而是因為它的對手最終會死去,而熟悉它的新一代會成長起來」?在習以為常的熏陶下,現在的「新一代」已經不再認為「雙胞胎悖論」是值得討論的悖論?
如果你不是這樣的「新一代」,那本文是為你所寫的,相信你在這裡將讀到在其它地方找不到之「雙胞胎悖論」的白話文解讀(不用任何數學)。
同步與同時的「相對性」
普朗克謂:「光速之於相對論就像基本的作用量子之於量子論:光速是相對論的絕對核心。
」
可是如何測量光速呢?從甲處發一道光到乙處,將甲乙之距離除以光旅行的時間就得到光速。
當然,要能精確地測得光速,甲乙兩處的時鐘必須是互相校正過的、同步(synchronized)的。
如何校正甲乙的時鐘呢?相信很多人小時候就已經知道了:將兩個時鐘帶到同一處,然後像電影中之突擊隊,在出發前由隊長發命令說:「讓我們校正時間,現在是……」。
可是愛因斯坦不知道為什麼竟然沒有想到這一點?或許真的是「智力發育遲緩」,他竟然建議在乙處放一面鏡子來反射甲處在零時刻所發的光,如果乙處接到光的時刻正是甲處光來回所需之時間的一半,我們便說甲乙兩處的時鐘同步化了。
用這種方法來同步化時鐘,很顯然在邏輯上我們便不可能測單方向的光速是否為定值了,所以愛因斯坦增加了一個假設,即光是在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值c!
如果我們將同步化的甲乙兩個時鐘分別放在火車月台的兩端,讓它們在同一時刻(零點)往月台中心發射一道激光,則站在月台中心的賴教授應該「同時」收到來自甲乙兩端的激光(圖一a)。
但坐在從乙往甲方向以等速v行駛之車廂內的李教授,卻發現甲、乙激光發射後一直在以同一速度c逼近賴教授(圖一c);但因賴教授在往乙方向運動,因此如果光同時到達賴教授處(任何人都同意的「事件」,否則賴教授不是說謊就是頭腦有問題),李教授將下結論謂:甲乙兩個時鐘並不同步,甲時鐘顯然先發射,因此比乙時鐘快(甲的零點比乙的零點早)!
所以「同時」將因觀察者之運動而異:賴教授說甲乙兩激光是同時發射的,李教授卻說甲激光先發射的!如果李教授坐的火車是由甲往乙方向行駛呢?他將發現乙激光是先發射的!
這似乎是很明顯的結論,為什麼要等愛因斯坦告訴我們、難道牛頓沒想到嗎?牛頓不是沒想到,而是他認為宇宙中有一獨立於任何觀察者的時鐘,稱為「絕對時間」,所以「同時」是絕對,不會因觀察者之相對運動而異。
但事實上這結論與絕對時間無關,而是因愛因斯坦之假設—光的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值—造成的!如果不是這一假設,則光的傳播速率將與發射體運動狀態有關(古典力學),李教授會認為乙激光是以c-v逼近、而甲激光則是以c+v追趕以v速運動的賴教授(圖一b),因此兩道激光當然還是同時到達賴教授處!所以李教授和賴教授都同意時鐘是同步的。
所以很明顯地應是愛因斯坦的「同時相對性」改變了人類根深蒂固的「絕對同時性」觀念。
如果我們將「發射激光」改成孿生子(雙胞胎)的「生日慶典」,則賴教授將說他們是同時出生的;但是李教授則會因其運動狀態而說甲孿生子先出生(比較老)或乙孿生子先出生。
這不正是「雙胞胎悖論」的一個影本嗎?我們在這裡事實上還看到一個很重要的現象:參考坐標(運動方向)的改變,可能顛倒兩個不同事件的「先後次序」!
雙胞胎悖論
假設雙胞胎張四決定乘坐等速高速太空船去旅行。
因他決定一去不回,故在旅行前與張三痛哭擁抱,答應在死前一刻依自己的時鐘將年齡紀錄下來,「寄」回地球。
依照經驗,如果兩人的生理機能完全不受外界的影響,則兩人的壽命應該一樣長;但是依照相對論,張三認為張四是在運動,其(生理)時鐘跑得較慢【稱為「時間膨脹」現象】,因此活得較長;同樣地,張四認為張三是在運動,其(生理)時鐘跑得較慢,因此活得較長!誰對呢?智力發育遲緩的筆者認為這是矛盾的,一定有一個人錯,但愛因斯坦說兩人都沒錯,要筆者耐心地等一等……。
坐上高速太空船旅行的張四,與留在地球的張三,誰活的時間比較「長」呢?圖/envatoelements
歲月如梭,張四的信終於抵達地球了;打開一看,怎麼?他的壽命竟然與張三一樣!筆者一個頭兩個大,顯然是不應該學物理—尤其是相對論!請讀者幫幫忙吧!
假設張四離開10年(他的時間)時突然想家,於是緊急剎車,將太空船轉個方向,緊急加速到原來的速度(為了方便,我們可以假設整個過程是「瞬間」),10年後終於又回到地球,跟雙胞胎張三重新會合,正要擁抱時卻發現張三已經比他老多了!這正是上面愛因斯坦及雷斯尼克所說的結果。
這看似矛盾的結果事實上是很容易理解的:張四在太空中的「緊急剎車、將太空船轉個方向、緊急加速到原來的速度」破壞了兩人運動的對稱性。
我們雖然沒有辦法感受到自己是在靜止狀態或者是在等速運動,但我們卻可以知道自己是在加速。
所以張四在太空中的急轉彎,不但破壞了兩人運動的對稱性,也應該是造成他們年齡差異的原因。
我們可以從兩方面來看為什麼改變速度(加速)造成年齡差異。
從相對論來看,在去程及回程的等速運動時,張四應該一直認為張三比他年輕。
但在前面的火車站實驗中,我們發現李教授的火車行駛方向改變會造成「先後次序」的顛倒,因此張四在太空急(「瞬間」)轉彎的過程中會發現張三(「瞬間」)老了許多(不怕數學讀者,可參見附錄二):多得超過了剛提到之等速運動時的年輕數,因此張四在相會時將發現張三比他老!從張三的角度來看,他從未加速,因此認為在運動的張四一直比他年輕!不止如此,他依相對論所算出來的年齡差距,也正是張四依他自己之坐標(包括等速與改速)所算出來的!
相信某些讀者要問:「老」是生理現象,張四的坐標轉換怎麼會使張三變老呢?火車站實驗中的「先後次序」顛倒,只是李教授的觀點而已,並沒有實質的物理意義,賴教授不是不同意嗎?1905年的相對論沒有回答這個問題,這答案10年後才在廣義相對論中出現(詳見愛因斯坦一生中最幸運的靈感-廣義相對論的助產士):加速可以視為是一種重力現象,時間在重力場中跑得比較慢【稱為「重力時間膨脹」(gravitationaltimedilation)】。
所以張四在太空中急速的減速及加速將造成強大的重力場,使得其(生理)時鐘變得非常慢,因此在這期間老得也非常慢(在黑洞附近的人—如果不被吸進去的話—幾乎可以長生不老)!
太空中急速的減速與加速,將造成強大的重力場,使時間變得非常慢。
圖/GIPHY
延伸閱讀:跌入黑洞的瞬間,會發生什麼事?——《高手相對論》
長度收縮
特殊相對論還預測一個稱為「長度收縮」(lengthcontraction)的怪現象,謂:一位快跑健將拿著一根棍子沿著棍子方向以速度v飛跑,旁觀人會認為棍子長度變短。
這一個怪現象事實上在月台的實驗上已經看到了:要決定兩點之間的距離,我們必須「同時」測兩點的坐標;李教授認為甲的零點比乙的零點早,因此必須「稍等」甲一下才能「同時」記錄甲、乙兩點的坐標,但這一「稍等」,因為甲在往乙方向運動,不是使得測得的距離變短嗎註?
如果讀者不怕數學,讓我們在這裡用點數學來看「長度收縮」這一怪現象,希望能幫助讀者更進一步了解。
圖二是旁觀者的坐標,顯示在t=a時,棍子的前端進入原點x=0,然後沿軌跡x=v(t-a)繼續前進;棍子的後端則在t=b時進入原點,然後沿軌跡x=v(t-b)繼續前進。
圖二中的bc是棍子後端剛進入原點時,旁觀者的「同時」線,即線上每一點的時間都是t=b(同步化)。
測量棍子的長度必須「同時」觀察其前端及後端的位置,因此他測量得到的棍子長度為be(他不知道那個時刻棍子前端事實上已經到達d點了)!bd是快跑健將的同時線,其x坐標(xd-xb)則是他測量的棍子長度,比be長;所以旁觀者說「棍子變短了」。
如果快跑健將的速度不快,則前、後端軌跡將趨近於成垂直,不同運動狀態的「同時」便趨近於相同,我們便又回到我們所熟知的牛頓世界了!
旁觀者測得的棍子長度因快跑健將的速度不同而異(原始長度則是快跑健將所測量道的長度,與其速度無關)。
圖/envatoelements
結論
愛因斯坦1905年的相對論中之「光傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值」假設徹底地毀滅了物理學中「同時」的觀念,因之產生了一些與日常經驗不符的奇怪現象,如「長度收縮」及著名的「雙胞胎悖論」。
希望本文的解釋不但能讓讀者見怪不怪,甚至發現其實不怪;了解相對論裡所有「矛盾」現象都是因為不同觀察者在「自說自話」造成的:例如在棍子的例子裡,靜止觀察者談論的是他(靜止觀察者)在某個時刻測量得到的長度,而移動觀察者談論的則是他自己(移動觀察者)在另一個瞬間測量的長度。
時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言,如果李教授不認為甲地先發射,他沒辦法解釋為什麼賴教授同時看到甲乙兩地發射出來的光(實際經驗到的物理現象);所以「自說自話」原來是為了保持物理定律的不變性(物理定律是用來解釋我們實際經驗到的物理現象)。
這些「自說自話」事實上也不是隨便說的,而是靠「洛倫茲轉換」(Lorentztransformation)連接在一起的。
附錄一:「後見之明」輕鬆地推導「洛倫茲(坐標)轉換」公式
K’坐標以+v速度相對於K坐標運動。
如果坐標在t=0時重合,加上時、空的均勻性(變數沒有二次方):
…………………………………………………………(1)
β為待解的常數。
如果在t=0時發射一道光,則光的軌跡為x=ct;代入上式,得
…………………………………………………………(2)
因為K’坐標及K坐標的對稱性:
…………………………………………………………(3)
將(3)代入(2)解得
…………………………………………………………(4)
從x=β(x’+vt’)解x’,然後代入(1),化簡可得到
…………………………………………………………(5)
公式(1)、(5),及(4)就是「洛倫茲(坐標)轉換」公式。
長度收縮中之快跑健將棍子的同時線方程式為公式(5):
附錄二:雙胞胎悖論的數學
假設雙胞胎甲留在地球,雙胞胎乙決定以v速度往太空地球S旅遊,則甲(x,t)、乙(x’,t’)兩人的坐標轉換為(為了方便,將光速定為1,所以v應該小於1):
圖三為甲的坐標圖:太空地球S的位置為(xs,ts)。
依照上面公式轉換,對乙來說,其坐標為(x’s,t’s)。
去程時,乙在S時的同時線(該線上每一點的時鐘都「同步」)t1s為:
在到達S時,乙瞬間改變方向,其同時線瞬間變為t2s:
這兩個方程式的時間零點分別為t0及t3,因此不能直接用它們來算去程及回程的同時點t1及t2;但因為對稱的關係,我們可以將t1s延長到x=2xs處,用 t’s=β(t-vx)解得:
所以乙的回程坐標轉換一下子讓甲老了
t2–t1=v2xs
……舉個實際的例子:如果v=0.6,xs=6,則β=1.25,所以對甲來說,乙需要10(=6/0.6)年才能到達S,也需要10年才能回來,因此乙回來時,甲應該已經20歲了(為了說明方便,假設他們一出生,乙就到太空旅行)。
甲的S坐標為(6,10),透過坐標轉換,乙的S坐標為(0,8);所以甲認為乙的時鐘比較慢,只要花8年(乙時鐘)的時間就可以到達S,同樣地也只要花8年時間回來,所以乙回來時應該只有16歲!
透過乙在S時的同時線,可以解得當x=0時,t1=6.4。
所以對乙來說,他已經8歲了,但甲才6.4歲,顯然比他年輕(老得慢)!同樣地,在回程時,乙也應該認為他老了8歲,但甲才老了6.4歲,所以乙回到老家時,乙應該已經16歲,但甲才12.8歲,比他年輕!
但前面不是說過甲應該已經20歲了嗎?矛盾?不!我們忘了乙坐標轉換時的「時差」:7.2年!將這「時差」加進去,乙也計算出甲的年齡應該是20歲(=6.4+7.2+6.4)!
甲、乙兩個人的結論相同,沒有矛盾!愛因斯坦沒有騙我們!
註:要決定兩點之間的距離,我們必須「同時」測兩點的坐標;同樣地,要決定兩個事件發生的時差(時間),我們必須在「同點」測兩個事件發生的時刻。
相對論不但毀滅了物理學中「同時」的觀念,事實上也摧殘了「同點」的觀念:沒有絕對的空間,「同點」因運動者而異。
所以我們也應該可以在類似月台的簡單實驗上尋找到「時間膨脹」的現象(請讀者幫幫忙吧)。
延伸閱讀
愛因斯坦一生中最幸運的靈感-廣義相對論的助產士(科學月刊,2021年5月號)。
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#1
tony1990
2022/08/30
回覆
“可是愛因斯坦不知道為什麼竟然沒有想到這一點?或許真的是「智力發育遲緩」”
那我們把AB兩個鐘放在一起同步之後,再把A鐘拿到月球上去,你怎麼保證A跟B兩個鐘還是同步的?
#2
tony1990
2022/08/30
回覆
我回錯文章了,這網站的連續閱讀模式也太離譜了吧,我都不知道我在看甚麼了
#3
賴昭正
2022/09/02
回覆
因為移動一定有加速及減速,所以我們只能在「原則上」討論這個問題:將A移到月球必須用非常非常的時間;在這樣的假設下,移到月球後,它們還是保持同步。
事實上移到旁邊都需要用非常非常長的時間!
#4
賴昭正
2022/09/02
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#2:你是說我這篇文章?請說明清楚一點以便改進。
謝謝!
賴昭正
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。
在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。
一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。
自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。
晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。
正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。
首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。
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