光速為什麼是固定的？ - 科學人雜誌

會後兩位物理老師上前問我：光速為什麼是固定的？ ... 事實上，愛因斯坦在狹義相對論論文中，就將「光速與光源速度無關」當做出發點去推論其他有趣的 ... 購買本期 瀏覽全文前往科學人知識庫 形上集 光速為什麼是固定的？ 2016-06-01 高涌泉 物理教育也要重視先現象後定律的進路。

過去約10年間，因緣際會下，我參與了高中物理課綱的修訂，也因而在不久前，受邀參加一場為高中老師舉辦的高中自然科課綱研習活動。

會後兩位物理老師上前問我：光速為什麼是固定的？ 這是狹義相對論的基本問題，大學一、二年級的基礎物理課程一定會談到，兩位老師應該相當熟悉。

然而他們還是問我，顯然他們對大學或高中課本提供的答案仍感到困惑（狹義相對論並非高中教材，僅列於高中三年級課本附錄，供學生參考），要不然就是有學生向他們提問，但他們覺得無法以大家都感到滿意的方式回應。

我很高興兩位老師來找我，因為這給了我機會向他們說明物理知識的起源與彼此的關係。

以下是我的說明。

首先，對於光速何以是不變的問題，亦即光速為何在每個慣性座標系中都一樣，等於每秒29.979萬公里，一種答案是：沒有人知道，因為這是實驗的結果，也就是大自然就是這個樣子，就好比空間有三個維度，我們只能接受它。

物理學所能做的，就是以光速恆定為出發點去說明其他現象。

但是這樣的答案不能滿足所有人，因為光速固定這件事很奇特，和我們對於速度這個概念的認知不相容。

大家從小就知道速度都是相對的，例如，陳偉殷如果在時速150公里的高鐵車廂內投出時速150公里的快速球，地面上的人會說球的時速為300公里。

可是光速違背了「一切速度都是相對的」這個傳統概念，這個矛盾如何解決？愛因斯坦從16歲起想了10年，到1905年才想出處理此矛盾的辦法。

他說速度的定義是「距離除以時間」（這裡不需強調更精確的定義），由於距離（即空間）是相對的，會依慣性座標系而異，而傳統的時間是絕對的，不會因座標系而異，既然速度是相對的量除以絕對的量，當然也會是相對的。

那麼速度如何可能成為不變的絕對量呢？愛因斯坦的突破，在於他體認到時間其實也必須是相對的（或說同時性是相對的），也就是說，不同慣性座標系的觀測者所測得的時間（距）會不同，在相對的時間與相對的距離配合之下，才可能產生不依座標系而異的絕對速度。

相對時間的概念當然違逆了傳統的經驗，卻是不得不接受的推論，就如同柯南．道爾借福爾摩斯的嘴所說的名言：「當你把不可能的事全排除之後，所剩下來的，無論如何奇怪，就是真相。

」數十年後，精密的實驗也確認了時間是相對的這回事。

知道上述的歷史發展後，回到光速何以是絕對的這個問題，第二種答案便是「因為時間是相對的」。

反過來說，如果有人問時間為何是相對的？答案當然是「因為光速是絕對的」。

既然兩件事都違反直覺，都不容易「懂」，那麼我們該以何者做為出發點去解釋另一件事？ 我相信以「光速是絕對的」做為「無從解釋」（也就是不追究緣由）的出發點是較恰當的，因為一來我們可以訴諸實驗，二來也符合歷史進程，與「時間是相對的」相比，它還是比較具體。

事實上，愛因斯坦在狹義相對論論文中，就將「光速與光源速度無關」當做出發點去推論其他有趣的結果（例如孿生子效應），只是愛因斯坦僅當它是假設（他當然給了理由，參見《科學人》2011年6月號〈電動力學與相對性原理〉），沒強調是實驗結果，但就教學而言，我們應該說明這是實驗結果。

物理學的內容（與其他科學一樣）出自對自然現象的觀測與實驗。

但是長久以來，為了效率，物理教學常採取「由上而下」的進路，亦即從（不強調來由的）原理與定律出發，去推導所觀察到的具體現象。

由於定律常以抽象的數學表達，以至先定律後現象的順序會讓物理變得比較難學。

與物理課相比，生物課與化學課更常先介紹現象，再說明原理，學生比較會由「事情就是這樣」的觀點去學習，也比較不會心生畏懼。

所以物理課其實可多採「由下而上」的進路，講明原理是由現象歸納出來的結果，這也是絕大半物理學實際演進之路。

【欲閱讀全文或更豐富內容，請參閱〈科學人知識庫〉2016年第172期06月號】   購買本期 #關鍵字：名家專欄、物理、形上集 更多文章 反重力思考輕輕鬆鬆看棒球2010/09/15米爾斯基（SteveMirsky）棒球其實是一種探討軌跡的遊戲，套句貝拉（YogiBerra，洋基隊傳奇捕手）可能會說的話：「多看你就懂啦。

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