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愛因斯坦如何發現狹義相對論

狹義相對論聽起來好威!愛因斯坦究竟是怎麼發現它的呢?又是為什麼需要發現它?是為了要解決什麼問題嗎?這次高涌泉教授就在演講中,與大家一起從科學史的脈絡,重新理解科學。
 
 
一般入門教科書或科普書籍在介紹狹義相對論的起源時,往往從 Michelson-Morley 的光速測量實驗講起:首先,Michelson 和 Morley 量不到地球相對於以太的速度,這個結果違逆了大家的期待,為了處理這個矛盾,物理學家提出種種不能全然令人滿意的方案,只有在愛因斯坦於1905年提出狹義相對論後,一切的問題才圓滿解決。高涌泉教授在演講中說明這樣的敘事忽略了某些極為有趣的歷史面相。

講演綱要(撰文|郭冠廷)

狹義相對論聽起來好威!愛因斯坦究竟是怎麼發現它的呢?又是為什麼需要發現它?是為了要解決什麼問題嗎?這次CASE就化身英國的皇家科學院,現代週二下午的「耶誕講座」,與大家一起從科學史的脈絡,重新理解科學。

科普重口味?意猶未盡,我就是想多知道一點!
科普講座非常的多,可是身為物理系專業的高涌泉老師,不禁感慨其實我們需要一個「更深入的」科普講座。對於這群人而言,一般針對普羅大眾的科普講座是隔靴搔癢不夠過癮,就是還想要多知道一點點的科普市場。

愛因斯坦的悸動!16歲少年對「時間」的詮釋。
當我們還在煩惱要讀哪一所高中,青澀的 16 歲。科學界的偉人愛因斯坦,卻在煩惱著為什麼 Michelson 和 Morley 量不到地球相對於以太的速度?最終才知道,原來是因為自己沒有搞清楚「時間」是怎麼一回事!那份感動就是我們這場講座的重點,聽不懂什麼是相對論,搞不清楚電動力學是什麼都沒關係。高老師認為,「我希望大家可以從故事當中,到到一點樂趣跟啟發。就當聽聽歷史故事!」

「以太」很重要?物理學大師找不到!
愛因斯坦所提出的狹義相對論,正是建構於馬克斯威的理論之上,馬克斯威方程式規範了一切古典電磁現象,引發了愛因斯坦堅信相對性原理的電磁現象。電磁學家馬克斯威認為真空中存在「以太(ether)」的電磁介質。五月天的石頭則說:「光需要以太才能射向它該去的方向。」可是愛因斯坦卻質疑,「以太是不存在的,在理論中不被需要。不論光源的速度為何,光在真空中前進的速度是一個定值。」

《費曼的物理學講義》[1]一書當中就描述,兩位物理學家 Michelson[2] 和 Morley[3] 在 1887 年,為了觀測「以太」是否存在,進行著名的「邁克生—莫立實驗(Michelson–Morley experiment)」,最後的結果是,Michelson 和 Morley 無法量到地球相對以太的速度。

等一下!靈光波動拳真的可以說停就停嗎?
愛因斯坦在《自傳筆記》中描述一項想像實驗, 說明了他如何想到狹義相對論。「我 16 歲時想到關於馬克斯威方程式的一種弔詭:如果我以真空中的光速,去追一束光,則我應該看到一束靜止的光,也就是在空間來回震盪的電磁場。但是,這種現象似乎並不存在。」光在真空中的速度,永遠是恆定的。光速是獨立于光源的速度。光速是恆定的,真空中的光速(C)具有相同的值。

別小覷哲學。相對論是哲學家的產物!
愛因斯坦在 1905 年,發表了《論運動物體的電動力學》[4],描述了著名的狹義相對論。年輕的科學小伙子,勇敢挑戰電磁學大老馬克思威的「以太靜止座標」,因為在力學與電動力學中,並不會出現絕對靜止,所有物理學定律在慣性系中都應有相同的表達形式,這樣的推測就是相對性的原理。

愛因斯坦在這些弔詭的科學現象中不停地思索著。有一天,當他在研讀休姆與馬赫的哲學作品《論人性》時,他領悟到「任何觀念皆應立基於知覺經驗上,一切超越經驗之外的觀念都必須質疑。」愛因斯坦從哲學大師的詮釋,領悟到「時間」何嘗不是如此?「絕對時間」的概念就是一種沒有經過檢驗的假設,因此愛因斯坦能夠毅然摒棄這在當時習以為常的假設。1924 年,這位相對論作者說:「在思考七年卻一無所獲後,我突然想出了答案,那就是我們對於空間與時間的觀念與定律,除非它們清楚的立基於經驗上,否則是無效的。」

參考資料

[1]The Feynman lectures on physics  http://www.feynmanlectures.caltech.edu/
[2]阿爾伯特.邁克生(Albert Michelson,1852年12月19日-1931年5月9日)
[3]愛德華.莫立(Edward Morley,1838年1月29日-1923年2月24日)
[4]Annalen der Physik: On the Electrodynamics of Moving Bodies. 17:891-921. (1905/06/30)

臺灣大學科學教育發展中心(NTU CASE)主辦
本講演蒙臺大科教中心慨允轉載,謹此致謝。

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