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2003 年 10 月 15 日

人類對於宇宙的科學認知 (15) : 愛因斯坦狹義相對論中的時空概念
     提供者 : 陳輝樺 (AEEA 小組 , NMNS )

說明 : 牛頓力學裡的微分參數是 「時間」, 也就是被觀測者的改變量, 不管是位移 ΔS 、是速度 ΔV 、或是動量 ΔP 等都是對極短的瞬間長短 Δt 作微分。 換言之,所有上述被觀測者的改變量都是以「時間」為標準的變化, 而時間在牛頓力學中時間與空間的數學模型中, 時間本身是一切事物的唯一的「絕對」基本參數, 它是永恆的、是會永遠存在的 (無論是過去的一端,或是未來的一端)、 是萬事萬物的起源和終了的見證者。 就如同上圖直徑約 100 公里寬的 Manicougan 隕石坑, 是 2 億 1 千萬年前掉落於加拿大 Quebec 的大隕石塊所造成之環狀湖面地形。 牛頓力學中又將「空間」視為「固定」的、是無限大的。 因此牛頓力學中所測定的運動是「絕對」的, 這個觀點不同於伽利略的「相對」的運動主張。 牛頓力學裡的這種「絕對時間」概念, 直到愛因斯坦的相對論出來, 才確立了「相對時間」的概念。

        愛因斯坦在狹義相對論中, 為了使物理學原理適應馬克士威 - 洛仁子的電動力學, 而採用了歐幾米得幾何和慣性座標系與慣性定律。 又為了用公式明確地表述自然規律,愛因斯坦作了兩個基本假設, 一則假設為「各慣性座標系都等效」這個基本條件被看作是對於整個物理學都是正確的 『狹義相對性原理』。 另一則係從馬克士威 - 洛仁子的電動力學出發, 狹義相對論又假設了真空中光速不變定律 (或稱之為『光速不變原理』)。 為了使『狹義相對性原理』和 『光速不變原理』不產生矛盾, 必需放棄適用於所有慣性座標系的「絕對時間」假設。 而且明確地建立了空間座標和時間從一個慣性座標系變換到另一個慣性座標系的變換定律, 就是「洛仁子變換 (Lorentz Transformation)」。

        至於廣義相對論中物理學的相對性問題又是如何呢 ? 我們將會有後續的介紹。

明日主題 : 人類對於宇宙的認知 (16) : 愛因斯坦廣義相對論中的時空概念
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主編 : 陳輝樺 、 王夕堯
                          諮詢服務 : 陳輝樺 或 (NMNS 國立自然科學博物館)
                                  王夕堯 (NTPU 國立台北大學)
                                                       蘇明俊 (NKNU 國立高雄師範大學科教所)


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