誰來對我高談闊論「狹義相對論」

Question：愛因斯坦的狹義相對論說「沒有任何物體的速度可以超過光速」。

... 相對性原理是普遍的物理定律，從古典的伽利略變換到狹義相對論，本質上 ... 關閉廣告 秘境探索研究社 跳到主文 旅行˙日誌˙尋找心中的極光 部落格全站分類：休閒旅遊 相簿 部落格 留言 名片 Feb14Fri201402:14 誰來對我高談闊論「狹義相對論」  高談闊論哈伯定律之後…… 　　Question：愛因斯坦的狹義相對論說「沒有任何物體的速度可以超過光速」。

若狹義相對論是正確的，那「星系比光速快」不就違反了狹義相對論？……我知道後文有提到哈伯定律和狹義相對論定義「速度」是不一樣的，但這裡為什麼要特別提及狹義相對論呢？  【能量E，質量m，光速c】 　　因為在宇宙尺度下，哈伯定律的膨脹速度牽涉到狹義相對論中的基本假設：「光速恆定」，另一種表述就是「沒有任何物體的速度可以超過光速」。

所以，面對「星系比光速快」的現象時，我們才不得不思考哈伯定律的正確性，以及是否違背了狹義相對論。

要討論這個問題，必須得先認識狹義相對論。

 　　即為質能互換公式，是狹義相對論導出的著名物理公式，說明質量可以變換成能量，揭示了「質能等價」的革命性觀念。

然而，最初啟發狹義相對論的並非質能關係，而是光速本質性的探討，由此可知，「光速」可是相對論發展的重要關鍵。

  愛因斯坦的奇蹟年－1905  【西元1904年時的AlbertEinstein】 　　西元1905年，26歲的愛因斯坦（AlbertEinstein）開始綻放天才光芒，陸續發表： 　揭示量子微觀世界「波動－粒子二像性」特徵的論文《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點（ÜbereinendieErzeugungundVerwandlungdesLichtesbetreffendenheuristischenGesichtspunkt）》 　開創「布朗運動」研究方向的論文《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動（DievondermolekularkinetischenTheoriederWärmeeforderteBewegungvoninruhendenFlüssigkeitensuspendiertenTeilchen）》 　創建「狹義相對論」的兩篇論文《論動體的電動力學（ElektrodynamikbewegterKörper）》、《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？（IstdieTrägheiteinesKörpersvonseinemEnergieinhaltabhängig?）》 　　這幾篇劃時代論文的研究主題不僅跨越不同領域，更影響近代物理學發展深遠，相對論（TheoryofRelativity）也萌芽誕生，西元1905年因此被稱為「愛因斯坦的奇蹟年」。

 　　相對論是現代物理學的兩大支柱之一（另一支為量子力學），不但顛覆傳統物理學的思想，更對時間、空間的本質及重力觀念造成了革命性衝擊。

因為研究對象的不同，相對論劃分成「狹義」與「廣義」的概念，簡單來說，狹義相對論（SpecialTheoryofRelativity）討論的是不受「重力」影響的時空中的問題，而廣義相對論（GeneralTheoryofRelativity）則是探討受「重力」影響扭曲時空中的物理現象。

  相對論，論「相對」 　　西元1905年六月30日，德國《物理年鑑》發表了《論動體的電動力學》，這是愛因斯坦第一篇有關狹義相對論的論文。

論文中，愛因斯坦首次提出狹義相對論的兩個基本假設： 　　相對性原理：在所有慣性參考座標系中，物理定律有相同的表達形式。

所謂物理定律的相同形式，是指物理定律的內容，而不是物理定律所計算出的數值。

 　　光速恆定：在所有參考座標系中，真空中的光速皆為恆定值，與光源運動無關，也就是說，光速是一個常數（Constant）。

 　　相對性原理解釋了觀測事件的「相對性」，代表不同的座標系皆有屬於自己的參考原點。

在不同參考原點觀察同樣事件時，只要做好「相對」變換，那麼，在所有座標系的參考原點所觀察到的物理定律皆等價平權。

「相對速度」是一個好例子，根據直觀經驗，兩物體作相對運動時，速度是可以相加減的。

當我們開紅色小車以時速50公里的速度同向追趕另一輛時速100公里的白色汽車，則兩者的相對速度：    【同向追趕】 　　反之，若是迎面相撞，則車禍前兩者的相對速度為：    【迎面相撞】 　　迎面相撞時，我們會感覺白色汽車衝來的速度快很多。

因為彼此的相對運動而造成不一樣的速度感覺，即為「相對性原理」與「參考座標系變換」的簡單概念。

  【伽利略變換】 　　伽利略變換（GalileanTransformation）是古典相對性原理，其中和分別為同樣事件在慣性座標系Ｓ和Ｓ’中的四維座標（4-dimcoordinate），兩座標系有相對速度ｖ，運行方向為ｘ和ｘ’，參考原點在時間ｔ＝ｔ’＝0重合。

伽利略變換的數學表示式：   　　相對性原理是普遍的物理定律，從古典的伽利略變換到狹義相對論，本質上都是同樣的假設，但光速恆定的假設卻違反了古典物理直覺，使得狹義相對論的「勞倫茲變換（LorentzTransformation）」與伽利略變換不同：   　　引入光速恆定的假設修正了相對性變換，其中光速ｃ為常數並出現。

我們可以發現，當速度遠小於光速時，勞倫茲變換就回歸到古典的伽利略變換；而速度越接近光速，速度對時間、空間的影響就越明顯。

 　　勞倫茲變換式中，時間ｔ竟然變成隨著速度ｖ與空間ｘ變化的變數，代表時間並非「絕對的」，而是「相對於」速度與空間，這違背了牛頓古典物理的常識：不論在什麼情況下，時間都是絕對不變。

勞倫茲變換發現時間與空間的相對性，被愛因斯坦引進了狹義相對論，結合時間與空間成為「時空（Space-time）」，而「相對論」之名也因此得來。

  【HendrikLorentz推導勞倫茲變換式】  光速為什麼恆定？ 　　為什麼愛因斯坦會假設「光速恆定」呢？以古典的相對性原理，若用伽利略變換把馬克士威方程式（Maxwell’sEquations）從一個參考座標系轉換到另一個參考座標系，我們認為觀測到真空中的光速將會改變。

然而，在當時許多測量光速的實驗中，科學家卻發現光速始終保持恆定值，此為從實驗觀測而得來的經驗法則。

  【JamesMaxwell創建古典電磁學理論】 　　馬克士威方程式或伽利略變換，不管誰錯，對物理學都將是大災難。

馬克士威方程式的正確性已經被許多實驗證明，更預測了電磁波（光）的存在，也精確描述電場與磁場；而伽利略變換則是觀測物理現象的基礎，一旦崩毀，許多物理定律都將動搖。

如此巨大的矛盾，讓當時的物理學家們傷透腦筋。

 　　於是，愛因斯坦便嘗試把光速恆定的假設引入狹義相對論，極具劃時代意義的創舉不但修正了伽利略變換與牛頓古典力學，更導出質能互換公式，開創了近代物理學的嶄新篇章。

  【愛因斯坦的狹義相對論手稿】 　　光速，表示光走一秒鐘的距離，可繞行地球約七圈半，若駕駛時速50公里的汽車得要花上二百五十天。

光走一年的距離則為光年，約為九億四千六百萬公里，相當以時速885公里的客機至少要飛行一百二十二萬年。

      文章標籤 狹義相對論 愛因斯坦 哈伯定律 光速不變原理 光速 廣義相對論 相對性原理 伽利略變換 勞倫茲變換 勞倫茲 時空 馬克士威方程式 馬克士威 E=mc2 全站熱搜 創作者介紹 團長BMC 秘境探索研究社 團長BMC發表在痞客邦留言(1)人氣() E-mail轉寄 全站分類：進修深造個人分類：天外飛來一筆此分類上一篇：誰來對我高談闊論「哈伯定律」 此分類下一篇：誰來對我高談闊論「勞倫茲變換」 上一篇：誰來對我高談闊論「哈伯定律」 下一篇：多良車站經典紅色欄杆竟然變成綠色 歷史上的今天 2020:中國四大佛教石窟－河南洛陽龍門石窟巡禮 2019:高雄寶來＠十坑野溪溫泉過年露營團。

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