✔ 最佳答案
其實坊間有很多所謂科普書或網上很多資料對「相對論」有錯誤的理解.它們有時嘗試用大眾容易理解的角度(即「牛頓力學」)去解釋「相對論」的種種推論.這種解釋只會令人似明非明,掌握錯誤的慨念.用「牛頓力學」去解釋「相對論」是從根本錯起.但是若我們先放下「牛頓力學」,由「相對論」的基本公設開始,一切便變得容易理解.
「相對論」分狹義(special relativity)及廣義(general relativity).「狹義相對論」建立在如下的兩個基本公設上
1.狹義相對性原理(狹義協變性原理):一切的慣性參考系都是平權的,即物理規律的形式在任何的慣性參考系中是相同的。
2.光速不變原理:真空中的光速在任何參考系下是恆定不變的.
為甚麼會有這兩條原理呢?
1.狹義相對性原理是很基礎的原理,這條原理代表了宇宙沒有一個絶對的慣性參考系.
2.光速不變原理. 甚麼?光速會不變嗎?
根據「牛頓力學」,一件物件的速度在以不同速度移動的觀察者來說是不同的.例如
我騎著單車以x km/hr前進,在我的前方有一件跑車以y km/hr 行駛,那麼對我來說跑車是以y-x km/hr 的速度遠離我.那怕跑車行得多快,它相對我及地面的速度是必定不同.
但是在19世紀,所有對光速進行的實驗都發現無論怎樣量度,光速都是一樣,科學家開始用不同的方法解釋,但都沒有一個滿意的答案.在當時根本沒有人想像到把「牛頓力學」慨念推翻,以光速不變作基本理論,去發展一套全新的理論.但是愛因斯坦卻有天才的智慧,勇敢踏出這一步.
既然光速不變,那麼我們必要放棄某些「牛頓力學」的慨念.很明顯,在以上的例子中,跑車遠離我的速度 v 不再是 y-x km/hr . 因為若果 y = c, (c即是光速) 及 x=10 的話, v = c -10,違背了光速在任何觀察者都是不變的假設.
那麼有甚麼需要改?速度是衍生出來的物理量,它的定義是物體在每單位時間裏面所移動的距離.所以在這新的理論,我們應該繼續用這個定義.所以,若果我們要光速在任何觀察者都是不變,我們必要修訂不同觀察者量度每一事物的時間及長度的慨念.
Time dilation
假設一架火車裏面有一組儀器,他可以垂直向上發射一團光束到火車天花板的一面鏡子,然後再反射回儀器那裏.鏡子距離儀器有 s 米. 設光的速度為 c1. 那麼對火車裏面的觀察者來說,
光從儀器發出再反射回來的時間為 t = 2s / c (式1)
而根據狹義相對性原理,無論火車是否正在移動,火車裏面的觀察者都會量度出 t = 2s/c .
現在火車正在以速度v行駛,一位在地面的觀察者會看見那光束所有的路線長了,因為光束除了垂直移動外,它還跟隨火車向前移動.
設在地面的觀察者所量出的光束來回的時間為 t1.
光束向前移動的距離 = v t1
光束總行走距離 = 2 [( (v t1/2)^2 + (s)^2) ^ (1/2) ] (畢氏定理)
= ((v t1)^2 + 4 s^2) ^ (1/2)
光的速度c1 = ((v t1)^2 + 4 s^2) ^ (1/2) / t1 (式2)
直到這裏,以上的計算是適用於「相對論」及「牛頓力學」.「牛頓力學」會說 t = t1, 所以光的速度會不同, c1 > c.
「相對論」則說光速在任何觀察者都是不變, c = c1, 所以 t 不等於 t1 !
從 (式1) s = c t / 2, 代入 (式2), 得出
t1 = [ 1 – (v /c)^2 ] ^(-1/2) t
就是著名的time dilation轉換公式.
其實以上的例子不可說是一個正式的推算,因為它假設了 s 在兩個不同的觀察者是一樣的.但是這個假說在「相對論」來說是成立的.以上的例子目的是說明「相對論」與「牛頓力學」的主要分別.希望帶給你對「相對論」多一些了解.
今次寫到這裏,沒有時間再討論 length contraction. 若你有甚麼回應,歡迎你提出,再作討論.
(資料來源: 以上全部自己寫 (除了「狹義相對論」的兩個基本公設上外
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96&variant=zh-tw)
2007-03-17 16:54:20 補充:
另一位回答者 matt_aca 把 GR and SR 調轉咗