如果速度的極限--光速只有 10 m/s

如果速度的極限--光速只有 10 m/s

 


炎熱的六月天, 在這悶熱的教室裡.除了電風扇的規律聲音外. 只剩下教授一人在講台上 還是很有勁的 講授 他的 相對論.

為什麼教室裡不裝個冷氣機呢!一節課過了大半, 大多是 左耳進 右耳出. 朦朧中只記得速度有一個極線-- 光速, 任何運動的物體都不能超過它

當物體運動的速度 接近光速時, 沿著運動方向 長度的測量會縮短, 時鐘會便慢...

這些似乎都與 一般常識 相衝突. 我是在作夢嗎!

而光速的大小等於 ...漸漸的眼皮感覺越來越沈重.

當我再度睜開眼睛時, 我怎麼到了一個陌生的城市. 和一般的城市沒多大差別.

對街的鐘響了起來. 我順手看了一下手錶-- 和鐘上的時刻一樣--五點整.

一個小孩正從我身旁騎著 腳踏車通過. 有一點不太對勁呀!怎麼他的身體和車子看起來都 窄窄瘦瘦的.

他似乎更加用勁的踩著. 但是車速似乎並沒有增加多少.但是他的身體卻是 更加的窄了!我注意到他的腳踩著踏板, 可是 踏板和轉軸並非保持著相同距離, 而是忽長忽短.竟然他的鞋子, 也是忽長忽短, 真像在變魔術.四周的汽車, 並不比腳踏車快多少, 但那行駛中的汽車高度雖然和路邊停止的汽車一樣, 長度卻是非常短.有一部汽車似乎正在煞車, 但車子的長度也同時增長.當他停下時, 和一般的汽車長度並無不同.

我決定要追上他問個究竟. 趁四下沒人注意時. 『借』了一部在附近的腳踏車. 努力的踏著. 車速似乎並不如我通常騎車那樣. 增加的不多.我力氣變小了嗎? 還是車子有問題?? 哇! 到底怎麼了! 四周的房子, 窗戶, 行人...怎麼都突然變窄了!我越是用力踩, 四周的一切越來越窄! 怎麼有那麼瘦的人!慢慢的出現了剛剛那個小孩的身影.是他嗎? 似乎沒有剛才那麼瘦.

我更加用力的踏著, 接近他時, 發現他的身體逐漸的胖了起來.當我騎到他身邊時, 才發現 他還是個 小胖哥呢!我於是問他, 為什麼車子騎都騎不快, 而你的身體也 忽窄 忽胖呢?

小孩說 『有嗎? 我剛才看到你瘦瘦的, 現在卻變胖了. 是你 忽窄 忽胖, 可不是我』

『你覺得速度不快嗎? 我們已經穿過了好幾個街道了』

我回答說 『是街道變窄了呀!』

小孩說 『街道變窄了, 我不就可以快一些到達, 這樣還嫌慢嗎?』

『我已經到車站了!還好 差一點趕不上 5 點 35分 的車子』

我看看車站的時鐘, 五點半! 不是才剛剛經過一會兒, 怎麼半小時過去了?

我的手錶顯示著, 五點一刻 -- 才過了 15 分鐘.

我好心的告訴他, 還早的很. 可是他趕快鎖好腳踏車後, 上了大汽車.5分鐘後, 汽車開走了!!

我問了其他車站內的人, 怎麼 他們說的時間都比我的手錶快了 15分鐘!

大概 剛才那兒的時鐘和我的手錶都慢了 15 分鐘吧!

於是我重新調整手錶. 一位看來三十多歲的先生剛從車站出來.

有位年進七十的老婦人, 迎向他說道『爸爸您好!』

『喔!女兒, 謝謝你來接我.』我有沒有聽錯? 於是問他『對不起!可是我聽到她稱呼你為爸爸』

他回答『因為我長年 四處搭快速車旅行的關係, 還好我早一點回來,還趕得及照顧我的女兒, 我得照顧她回家了!再見!』

真是奇怪的地方! 我趕緊騎著腳踏車往原來的地方騎回去.

原本恢復正常的街道, 又變窄了!

好不容易騎回原來的地方. 『噹!噹』對街的鐘又響了起來.

六點鐘! 不對呀! 我的手錶還是只有 5 點 3 刻!

這到底是怎麼回事! 突然有人搖一搖我的肩膀!

『下課該回宿舍了!你剛才打磕睡可真夠厲害!老師都走了你還沒有醒過來!』

肚子也餓了 , 我看了一下手錶!六點多了該吃飯了!

趕緊跑回宿舍!望一望四周, 還好 並沒有變窄!

以上是我仿照 Mr. Tompkins in WonderLand 中譯本 湯普金夢遊記(徐氏基金會) 的內文方式, 編出的 短文, 希望你會喜歡.


物理情景解說 -- 相對論

本世紀以前的人們, 總是認為 空間是固定絕對的, 時間也是均勻的流過, 不受外在的干涉.

因此上世紀末, 邁克生(Michelon)設計實驗 企圖觀察 地球運動對光傳播的影響.

結果居然發現 光速 絲毫不受影響.

例如:光速為 c, 有一車子以 0.5c 離你遠去. 車上有人點了蠟燭.

當你測量車上射回來的光的速度時, 居然也是 c ( 而不是 0.5 c)

愛因斯坦 大膽提出了兩個 假設. (也由此發展出 狹義相對論)

1. 在所有慣性座標中所觀察到 ,光在真空中的速度永遠不變. c = 3*108 m/s(不因觀察者的相對運動而改變)

2. 物理定律在所有慣性座標中皆相同. 長度與時間 不再是 絕對量. 只有 真空中的光速是 絕對的.

由狹義相對論, 推導出以下 結果

1. 物體(相對於觀察者) 在相對於運動方向的長度會縮短.

一把尺相對於觀察者靜止時的長度為 L, 若尺沿著長度的方向以 0.866 c 的速度運動時,

觀察者會測得尺的長度變為 0.5 L (一半)

2. 時間相對於觀察者運動的座標中, 會經歷的較慢.

兩個完全相同校正好的手錶, 若一個戴在觀察者手中.另一個相對觀察者運動, 觀察者會發現

運動中的手表, 走的較慢.事實上. 觀察者會發現 運動中的所有過程都變慢了.

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3. 不同地點, 絕對同時的觀念不再存在.

不同地點發生的兩件事,甲認為同時發生.乙可能認為一前一後,丙卻認為前後順序和乙觀察的相反

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4. 真空中的光速是物體速度的上限

當物體的速度越接近真空中的光速時,要使物體速度增加, 會越困難.

一車子相對於觀察者以 0.5c 在運動.車上一物體也相對於車子以 0.5c 在運動.

觀察者 觀測到物體運動的速度不是 0.5c + 0.5c = c

而是只有 (0.5 c + 0.5c )/(1.+ 0.5*0.5) = 0.8 c

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以上的結果也是 相對的.

若甲乙兩人各拿一把相同長度的尺. 然後 甲相對於乙 以 0.866c 速度運動.

乙發現甲的尺, 變成只有一半長度.(甲相對於乙在運動)

但甲也發現乙的尺, 變成只有一半長度.(乙相對於甲在運動)

這也是故事中

我先觀察到 小孩騎車時變窄了. 但我騎車時, 接到卻變窄了.與小孩接近時, 小孩又『恢復』原狀.

我的手錶 比街邊或車站的手錶走的慢.爸爸卻比起女兒年輕. 雖然爸爸搭車 相對於女兒在運動.

可是 女兒也是相對於爸爸在運動呀!為什麼不是, 女兒更年輕呢?

不再是『相對』論了嗎? 因為 上面的情形不再是對稱的.

爸爸搭車時, 會感受到汽車加速與減速的過程. 但女兒卻沒有經歷 加速與減速的過程.

在 愛因斯坦 進一步 研究 時空關係 所發展出的 廣義 相對論中

觀察者 無法分辨 自己是處於 加速座標中 或是在 重立場作用下.(這也和 輕重不同的物體, 在 高處落下 會同時落地 有關) 而且在 加速座標中, 時間一樣會 變得較緩慢.

你的頭腦還清醒嗎? 是不是有點 昏頭了!!!

想一想, 你夜晚時 遙望星空. 你同時刻 所看到不同星星的光.

都是很久以前, 相對於你不同時刻所發出的光. 此刻同時抵達你的眼睛.

若是你發現 相對於你 10 光年的甲星, 與 20 光年的乙星 同時爆炸.

接近 甲星上的觀察者, 卻認為乙星較甲星提早十年爆炸.

相對論, 是不是和 科幻小說一般, 有吸引人的情節呢?

你是否也想動筆, 寫一篇 和相對論 相關的故事呢?

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