淺談『狹義相對論』

 淺談『狹義相對論』

前言

  一提起『愛因斯坦』多數人就會聯想到他所發展的相對論。其實愛因斯坦因為對於『光電效應』的解釋而獲得諾貝爾物理獎。對於物體的比熱、布朗運動...等都有很大的貢獻。相對論之所以讓人印象深刻是因為  很多相對論所預測推論的結果和一般人固有的想法有很大的出入。
其實想一想,當十六、十七世紀時代的人總認為地球是宇宙的中心,看著日昇日落,結果有人卻說 地球繞著太陽轉動。甚至更早人們以為地球是個有限的平面時,卻有人說地球是圓的。這些人的說法在當時也都被視為『奇怪不易』接受的想法。
  相對論讓我們對『時間』與『空間』有另一種的體會與想法。 時間的流逝不再是絕對的,有相對運動的不同觀察者對於時間的改變有不同的見解。連長度的概念也不是絕對的,有相對運動的不同觀察者對於同一物體長度也有不同的看法。唯獨真空中行進的光,不論對哪個觀察者而言,其速度都是相同的。
 只是以上的效應只有在相對速度接近光速時,才容易觀察出其差異性。一般而言其差別都遠小於實驗誤差而不易觀測。
  狹義相對論探討以等速度相對運動觀察者間對於物理量測量值間的關係。而推論出著明的 E=m c2
說明質量與能量是相同的物理量,只是從不同的角度去描述與觀察而已。
  廣義相對論則探討觀察者間有加速度運動(或者說在重力場內)運動時,彼此對時間與空間的不同體會以及相同物理量間不同的見解與詮釋。
  牛頓當初寫下了  F = m a  
  因為 F 被用過了, 
愛因司坦 寫下了 E = m b 不對
                  E = m c 沒創意
                  E = m c2 就這樣吧!
  想試試看嗎?你想先從哪個字母開始呢!開玩笑嗎? :-)
                  D = ...

E=mc2的迷失

 愛因斯坦的狹義相對論中最著名的大概便是 E=mc2 將質量與能量解釋為 具有相同的意義,也因此發展出核能發電的構想。然而初學相對論的人,對於 

 往往不易理解,質量是如何隨著物體速度的增加而有不同呢?物體的質量是如何增加的。
其實這都是因為初學質量時,以物體所含的量代表質量的概念引起的。如果還記得,其實物理的世界中是由牛頓定律定義質量的。(其實日常生活中我們很少稱呼質量,重量的概念反而用得較多)。
當兩物體以相同大小的一對交互作用力相互作時,觀察兩物體加速度的反比便是物體的質量比。也就是物體的質量代表 物體本身的『慣性』。雖然一般同學都學過牛頓定律和慣性,但是往往腦海中仍然保持
 『質量』是物體所含數量的多寡的原始概念,而忽略質量純粹代表慣性的意義。在處理一般物理情境時,以上的兩種想法都可以解釋得通。於是對原有的想法更不會質疑。但是當初學『狹義相對論』時,就想不通為何速度增加時,物體的『量』也會增加。物體的『慣性』(也就是質量)越大,則物體的運動狀態越不容易受外界影響。相對論中所得到的推論:當所觀察物體的速度越高時,則感覺物體的質量越大。說得更白話些就是:當物體相對觀察者的速度越高時,  觀察者將感受到物體的慣性越大,越不容易對物體加速。 並不含有物體本身的『量』有任何增加的含意。
其實物體的質量,可能包含兩種不同的意義。
一種是上述的『慣性』,也就是所謂『慣性質量』MI
另外所有的物體間都存在的交互作用:萬有引力。也會和物體本身的某一個『特性』成正比,通常稱之為『重力質量』Mg。
慣性質量 和物體的 『慣性』相關,而『重力質量』則是和物體間的『萬有引力』相關。兩者似乎是分別對應於 不同的物理特性,代表不同的意義。
仔細想一想伽利略的實驗:在地球表面附近的物體落地時具有相同的加速度。
物體所受的外力是 『萬有引力』 Fg= Mg ×G
  G 為地表的重力場強度(和地球的質量及半徑相關和物體無關)。
物體受外力後將產生加速度 a = F/MI = (Mg/MI)×G
因此 伽利略的實驗 指出對於所有物體 重力質量和慣性質量 有相同的比值。
而到目前為止,所有的實驗結果顯示兩者的比值幾乎完全等於1。
到底這是一種『巧合』還是有更深層的意義呢?仍然是一個謎,有待你我去發掘!

 

絕對的時間?

 有多久沒有在夜晚遙望星空了! 由於光的傳播需要時間,也就是有一定的速度。
因此我們都瞭解眼中所『同時』見到夜晚星空中各星星的光點,相對於我們而言,卻是不同時間所發出的光。所見到距離我們越遠的星光,是在更早遠所發射出來的。
即使白天所見到由太陽所發射出的的『陽光』也是約500秒前由太陽所發射出來, 經過500秒後才抵達你我的眼中。因此從事更遙遠的天體觀測,將可以看到更早遠該星體的『歷史』。

假想同時觀測到甲乙兩和我們有不同距離的星球時,突然發現兩星球『同時』爆炸了!
若是有另一觀察者在太陽系外,也同時觀察相同的甲乙兩顆星球。你想他會觀察到兩星球『同時』爆炸嗎?還是會有一先一後呢?這便是狹義相對論所得到第一個結論:所謂『同時』性並不是絕對的
  對於某觀察者認為是在兩地同時發生的兩個事件,對於另一個座標觀察者而言,不見得是『同時』發生,而可能會有一先一後。 因此『時間』不再是絕對的座標系統,而是會因觀察座標不同而有所改變。
以上的癥結在於光的行進需要時間,也就是有一定的速度。
讓我們進入美國西部牛仔決鬥的場景:
   『邁噹姥』和『懇得雞』兩人為了爭得『溪部』第一神槍手,早已看不順眼。
    今日兩人請了『包大人』站在兩人中間的位置當裁判。
    只見兩人各拿了一隻『雷射光筆』瞄準對方,
    兩人都眼睜睜的凝視『包大人』按著『啟動』光圈的按鈕。
    只待見到啟動的光圈便按下開關將瞄準的光線射向對方。
    『包大人』公佈比賽結果是 『邁噹姥』和『懇得雞』兩人都同時按下開關,而且同時射中對方。
    但是『邁噹姥』和『懇得雞』兩人都不服結論,但是卻都很疑惑:
    明明見到自己先按下開關,但是為何自己卻先被射中,而且...。

矛盾的想法

  如果和『光』一樣快的觀察者,會看到怎樣的『光』?
  光是一種波動,是電場和磁場隨著空間的不同在時間上有所延遲的變化。  就如同水波是水分子在平衡點附近振動,而影響鄰近的水分子做類似的運動,只不過在時間上稍有延遲。
  運動場邊的啦啦隊整齊的靠緊站成一排,每個人手朝下握著身旁的人的手。
   當排頭的第一人拉起手上下擺動時,
   身旁的第二位也跟著相同的韻律擺動起來,只是時間上比起第一位稍微慢了一些。
   接著的第三位也類似的動作,只不過比起第二位又稍微延遲了一些。
    ....
   整排的人都重複的坐相同的動作,只是每位都比身旁的人稍微延遲一些。
  於是在場中的觀眾,所看到『啦啦隊』的表演是
  一串串的『波動』由頭往後傳播過去。
  同樣的行進中的水波,水分子也依序的在平衡點附近振動。
  如果有一個和波行進速度相同的觀察者跟著水波前進,  則觀察者看到身旁的水分子的運動情形會是???

  光是電磁波:    隨時間變動的電場會在鄰近的空間形成磁場;
    而所形成隨時間變動的磁場又會在鄰近的空間形成電場;
    而所形成隨時間變動的電場又會在鄰近的空間形成磁場;
    ....
    如此循環則產生電場與磁場的變化,
     抵達我們的眼中若其頻率符合眼睛所能感受的範圍便是可見光。
     若是頻率足以讓天線上的電子跟著運動,便可能是無線電波。

  讓我們回到當初的『如果』:
    如果和『光』一樣快的觀察者,則所看到的電場或磁場會變化嗎?
    若是電場和磁場都不變化的,則又如何形成下一時刻的磁場和電場。
    如果沒有變化那麼又怎麼有『波』呢?
  可是並未和『光』或電磁波一起行進的觀察者,
    卻能觀察到變化的電磁場以光速『波動』而過。

  愛因司坦回憶他十六歲便被這樣相互矛盾的想法困惑著,
  到底是牛頓力學有問題?還是電磁學有問題呢?還是???

『以太』的迷失

  在『光』仍在『粒子』或是『波動』妾身未明的爭論階段, 
  人們對於已知的各種波動發現都需要介質來傳播。
   水波(水)、聲波(空氣)、繩波(繩)、彈簧波(彈簧)、...
  於是人們自然的會想:若光是一種波動,那麼它所需的介質是什麼呢?
    光能夠從太陽傳達到地球,經過無垠的太空,所以這種介質必須能存在太空中。
    人們早期認為太空中為真空狀態,這下子需要加上光的介質。
    這種介質我們肉眼看不見(否則遮蓋光),人們稱它為『以太』。
  『以太』這玩意兒很奇妙存在於星際間,
    可是行星的運動又似乎不受其影響(或影響極其微弱) 暗示著其質量似乎趨近於『零』。
  『看不見』『聽不到』『摸不著』『嚐不出』『聞不出』
  可是以太間也必須有交互作用使得光波前進。
  以太存在的空間似乎意味著存在一個絕對的座標。但這種完全感受不到的東西是否真的存在呢?
  必須以人體感官以外的實驗想辦法來證實。 
  1879年 James Clerk Maxwell於過世前一年提出測量地球繞著以太運動速度的方法。
  想像一艘船在靜止的河水中速度為每小時5公里,河水的流速為每小時3公里。
  若船先順水而行4公里,然後再逆水而行回原處。
  則順水而行時需要花去 4/ (5+3) = 0.5小時, 逆水而行時需要花去 4/ (5-3) = 2 小時,
    總共耗去 2.5小時。
  若垂直水流來回4公里(好寬的河或許該稱為江吧,至少台灣沒這麼寬的河),
  則船頭必須稍微傾向上游。船才能駛回原點。如下圖

  船速垂直河流的分量為 4公里,因此來回需要 2*4/4=2小時。
  也就是說兩艘船若同時出發,折返回原點的時間將不一致。
  由此時間的差別可以計算出水流的速度。
  運用類似的方法可以測量出 地球轉動時相對於以太的轉動速率。
  當時 Maxwell 指出由於地球表面的轉速 V 約為 3×104m/s
  光速 C 是 3×104m/s, 另 β=V/C=10-4
  依照上述方式,如圖計算出兩不同路徑的時間差為Δt~Lβ2/C
  由於數值相當小將非常不容易測量。 

失敗的實驗

  一個失敗的實驗卻獲得諾貝爾獎。
  美國的一位專門從事光學測量(測量光速)的科學家 Albert Abrahan Michelon
  注意到 Maxwell 的文章,瞭解到時間差很難測量,但是若將其轉換為光程差
  藉由他當時所發展的技術,是可能辦得到的。
  於是他和 Morley 進行了測量『以太』的實驗。
  但是他們從1889年開始從事的實驗卻從來都看不出
    兩條不同路徑有任何實驗誤差外的光程差。
  也就是他們偵測不到『以太風』對光速的影響。
  1892年 G. FitzGerald 提出了一個奇怪的假想:沿著以太風行進的方向,
  由於以太的影響使得那個方向所有物質的長度縮短了一定的比例。
    而計算出某特定比例會使得Michelon 和 Moley 測不出以太風的影響。
  雖然大多數物理學家都嗤之以鼻,
  但是後來連對電磁學相當專精的 Lorentz(愛因斯坦的老師)也支持發展這樣的想法。
  1900年時,法國數學家 Jules Henri Poincare 曾寫下:
    我們所追尋的以太,他是否真的存在?
  我相信即使再精密的測量,也僅能測量出相對速度
   而無法測量出絕對速度(相對於以太的速度)。
  如同牛頓所說:他也是站在巨人的肩膀上所以才能看得更遠。
  科學的進展是所有科學家逐步努力累積出來的成果。
   直到不同階段由特別的人士總結收成。愛因斯坦便在那個時代以簡單的假設,
  建構出完整有系統且能夠解釋當時實驗結果的狹義相對論。
  並預測其他一連串推導的結論,到現在為止哪些結論尚未發現反例。 
  ***愛因斯坦在26歲哪年(1905)發表了5篇論文,開啟了物理學上數個新的研究領域。
  真正讓他在 1922年獲得諾貝爾獎的是其中一篇解釋光電效應的貢獻。
  新的學說(相對論)也需要一段時期才能獲得『客觀的』科學家的接受。
  這大概就是『慣性』的法則吧!

兩個基本假說

  狹義相對論的理論建構在兩個基本假說上。愛因斯坦由推理認為這兩個假設是正確的,
  由這兩個假設的條件下而衍生出完整的狹義相對論。 也讓我們對於過去『絕對的時空』有了一番新的體認。

  1. 相對性原理:
    牛頓與伽利略都體認到 在相對等速度運動下不同座標系內 力學的定律是相同的。
    在等速度飛行的飛機內行動時和在地面上毫無兩樣,察覺不出本身的飛行速度。
    牛頓也曾經為了是否存在『絕對座標系』而傷腦筋。
    倒底是否存在一個絕對靜止不動的空間,
      而所有其他參考座標可視為相對於絕對座標運動。
    而這個絕對空間便是與『以太』相對靜止的空間。
    以等速度運動的參考系統為慣性座標。牛頓運動定律適用於慣性座標系統。
    在非慣性座標內,牛頓運動定律不再適用,除非加以修正。
    例如:等速率圓周運動時衍生的假想力。扯太遠了,拉回來吧!
    愛因斯坦發現到所有物理系統將不因為觀察者屬於不同慣性座標而有不同。
     於是提出:對於所有等速度運動的慣性座標觀察者而言,
      物理定律的形式都是相同的。
    因此不可能有實驗可以區分出自己是絕對靜止或是相對於絕對座標進行等速度運動。
   也就是說所有的運動都是『相對的』。
   因此所有想測量絕對運動(以太風)的實驗必然失敗。
   在這種情形下『絕對座標』就變得沒有意義而不需要了。
   讓我們拋開『絕對座標』的包袱,好好的邁向『相對論』的新紀元。

  2. 光速恆定:
    在真空中的光速,對於所有觀察者而言,速度皆為光速,與參考座標無關。
    猶如聲音在介質中的速度並不會因為波源的速度不同而有變化
    (雖然聽到的頻率會不同)
    唱一句:『不要問我為什麼?』...
     光速已經是自然界的另一個常數。
    Maxwell 將電磁學的四個基本定律:電與磁的高斯定律、安培定律與法拉第定律
    加上自己提出的『位移電流』(實際上是電通量變化產生磁場)
    推導出 Maxwell的電磁波方程式,式子中的常數便自然得波速為光速。
    且推導的過程中並未指明所對應的座標系,或者對上一個假說而言:
    物理定律是相同的。因此在不同慣性座標中所測量出的光速是一樣的。
   舉例說:一輛快速火車上的人射出一道光。
   車上的人和車下的人所測量到的光速皆相同,與車速無關。
   雖然聲波在介質中傳播的速度與波源無關,
     但是所測得的聲速卻和觀察者的相對速度有關。
   若朝著聲源運動則所測量得到聲速會增加。
   猶如:一個人向你拋球,若你迎向球去接球會感覺球速增加,後退則減少。
   可是所測得的『光速』卻不會因為觀察者本身的運動而有不同。

  如果『光速』會因為不同慣性座標而不同,則我們就可以根據所測得『光速』的不同
  而區分出本身座標相對於『絕對靜止』座標的速度。這樣就又違反了第一個假設。
   靜止測量真空中光源的速度為光速,
    以0.5光速朝向光源運動時所測得的速度依然是光速。
   這是相對論當初最不易令人接受的地方。
   可是當承認這樣的假設時,除了能解釋michelson-Moley的實驗外,
   竟能完整解釋所有系統速度接近光速時所觀察到的各種實驗結果。
   人們已經可以在實驗室中使 pion介子以非常接近光速(99.98%c)的方式運動,
   pion的半衰期僅 8.7×10-17秒,衰期過程中將產生『光』,
   而實驗室所測得pion所射出的光子速度還是為『真空中的光速』。
   幾十年來的所有實驗結果,逼得科學家們接受
    『真空中的光速』對於所有慣性座標的觀察者都是相同的。』這樣的實驗結果。
   事實上最後一次的國際度量衡會議(1983)時,因為對於真空中的光速已經深信不疑,
   重新定義 『1公尺』為光在真空中於 1/299792458 秒內所前進的距離。
   以真空中的光速重新定義七個基本度量衡單位之一的長度。
   也就是說 從那以後真空中的光速 已經被定義為 c≡299792458公尺/秒。

  ***七個基本度量衡單位:
長度(米)、質量(公斤)、時間(秒)、電流(安培)、數量(莫耳)、溫度(K)、亮度()
  愛因斯坦在人們還沒有實驗證實這樣的結果之前,
  就已經藉由思考提出 真空中的光速恆定 的真知灼見。

『同時?』

 由於不同慣性座標的觀察者所觀測到的『光速』都是相同的,因此『同時』變成是一種相對的概念而不再是絕對的。事實上仔細一想:我們眼中所『同時見到』『不同地點』的景象,並不是同時發生的。
比較遠的景象必然較早發生,然後和較近的影像藉由光線『同時』進入我們眼中。
假想有一台接近光速的『電車』從月台邊通過,電車靜止時長度為2L。
電車中間坐著『甲』觀察者,而月台上有一位『乙』觀察者。
『甲』觀察者發現通過『乙』觀察者L/c秒後『同時』見到電車前後的燈閃了一下。
  可是『乙』觀察者會發現車尾的燈先閃一下後,『車頭』的燈才閃一下。
因此 『同時性』不再是絕對的概念,
   而是會因為處於不同『慣性座標』而有不同的觀察結果。
(但是事件時間的因果關係,不會因為處於不同『慣性座標』而有不同的觀察結果。
   例如:『父子』關係不會因為處於不同慣性座標而被觀察為『子父』關係)
但是你所認為『同時』發生的事件,
  對於另外一位觀察者而言,不見得同時而是有先後。
當兩事件的空間距離越遠,對於同時性看法的差異也越大。
因此不同兩地的事件『同時』發生,不再有絕對的意義。

相對論中最迷人的大概就是『同時性』、『時間延緩』、『長度收縮』 和『質能關係』等概念。
但也是大家最容易『知其然而不知其所以然』之處。
有興趣歡迎仔細品味本網站所設計的 相對論物理動畫
你可能需要花不少的時間,嘗試與仔細觀察,去慢慢體會之中的物理。不小心可能會走進『霧裡』 :)

以下將先分別介紹『時間延緩』和『長度收縮』,首先提醒你
這兩種現象是分別在不同慣性座標觀察同一事件可能觀察到的不同結果。
對於同一事件而言,並不會同時出現在 同一慣性座標的觀察者。
很多書中都沒有提醒這點,因而容易造成一般人更加的迷惘。
我們觀察事件時,並需要靠『訊息』傳達到我們的『觀測儀器或五官』。
若藉由『光』傳遞所觀測的訊息,由於『光』傳播需要時間,
因此不同慣性座標系內的觀察者對於『同一事件』所將接收到訊息
  『時空』的記錄並非一致。
也就是說 觀察者對於『時空』的觀測結果(感覺)會有不同的記錄。

人們必須慢慢適應過去對於『絕對時間與絕對空間』不再存在的事實。

時間延緩 Time Dilation

歡樂的時光總是過得特別快!等待的時刻總是特別的慢!
這是我們心裡的感覺。
然而相對論中的『時間延緩』卻不是心理的因素,是客觀測量的結果。

想像一艘透明極快的太空船從我們眼前通過向右,太空船內向上發出一道光。
我們會看到光的行進方向朝向又上方運動。因此我們所感覺太空船內光線所走的距離,
  比太空船內看到光僅是向上運動的距離長。
然而不管在太空船內或我們所測量出的『光速』卻都會是相同的。
這是否意味著我們測量的時間間隔比運動中的太空船內的時間間隔『長』,
也就是不同慣性座標系,時間的演進是不相同的。

當我們(甲)觀測另一(乙)與我們有相對運動的座標系時,
我們會發現乙座標系內的『時間』似乎走的較慢,所有事件的發生也較緩慢。
相對的
乙座標系內的卻也是感覺 我們(甲)座標系內的『時間』似乎走的較慢。
每個觀察者都發現和自己相對靜止座標內的事件都很正常的發生。
但是觀察和本身座標有等速度相對運動的慣性座標內的事件時,
  都覺得『其他座標系統』都變慢了!
例如:三個在地面週期相同的原子鐘,兩個放到高速飛機上,一個留在地面。
兩飛機分別朝不同方向高速飛行一段時間後,回到地面時發現 曾經飛行的兩原子鐘顯示的時間都落後了。回到地面後三原子鐘仍然維持相同週期繼續變化。
同樣的情形發生於心跳、反應的速率、細胞的老化...
所以想自己『老化』的速率變緩慢,就住在較高的山上或高速飛行的交通工具。

雖然初看以上的結果很奇怪!但是想一想若有一艘透明的太空船以極高的速度飛去,
我們所觀察到太空船內的事件的訊息傳遞所需要的穿過的『時空』也越來越大。
只是這樣的時間差別只有在速度接近光速時才容易區分出來。
***關於理論關係式的推導就請自行翻閱相關書籍,
 

長度收縮 Length contration

愛麗絲夢遊記中 愛麗絲變小了是作夢時 虛構的事件。
然而『長度收縮』卻是實際可觀測到的現象。
『長度收縮』指的是當物體以高速運動時,
    物體沿著運動方向的長度會縮短,垂直方向則不變。
『長度收縮』不是所觀察高速運動的物體真的變形縮小了,
   只是觀察的結果顯示其便短了。
想一想:當我們測量一物體的長度時,
   是否需要『同時』觀測物體兩端和尺對齊處所標示的數值。
只是『同時』已經不再是絕對的,因此『長度』的觀測值也就不再絕對。
由物體兩端產生的訊號若同時抵達觀察者,
  和物體同時運動的觀察者而言則不認為是同時發出訊號的。
記得看『星際大戰』中太空船以高速飛行時,
  四周所觀察到的『時空』都開始扭曲,可不是隨便畫畫的。

以下舉一個實例:希望能讓你更清楚一點:
實驗室中可以測量到μ介子(一種基本粒子)的半衰期是 2.2μS.
也就是說若 μ介子以接近『真空中光速c』飛行時,
例如 以0.9994c飛行時走不到660公尺就會有半數的粒子發生衰變。
宇宙射線穿過大氣層時,會產生μ介子。並以接近『真空中光速c』飛行,
我們在地面上的觀測結果是『μ介子』衰變成半數時,
   所走的距離遠超過660公尺(接近30倍)。
因此我們說μ介子以接近光速飛行時,他們座標內的時間變慢了。
μ介子飛行座標內的2.2μS相當於地面上2.2×30=660μS。
以上是以我們地面上的觀點所描述的情形。也是實際實驗測量的結果。

若是轉為和μ介子一同運動的觀察者,將會發現地面以接近光速的方式向他們逼近。
μ介子們仍然以2.2μS的半衰期衰變,但是卻發現該座標和地表間的距離縮短了30倍。
在半衰期的時間內,μ介子們在自己的觀察座標內認為自己走了 660公尺。
可是這 660公尺卻對應地面座標所刻畫的 660×30=19800公尺。
同一事件不同的慣性座標的詮釋不同。

舉另一個假想的例子
一輛很長的『電車』靜止時的長度是山洞寬度D的 30倍長。
若『電車』以V=0.9996c的速度開過山洞時,
在某一瞬間車外的人發現『電車』頭尾正好和山洞等長度,完全消失看不到電車。電車外的人認為電車變短。(電車頭尾的光若同時到達觀察者,則...)
可是相對的 電車內的人卻發現山洞已經不再是山洞,而僅是寬度D/30的小圍籬而已。  電車內的人認為山洞變短了。

孿生子的矛盾


假想有一個星球和地球的距離為 50光年。孿生子兄弟二人在一艘可以0.9998c飛行的太空船前告別。  哥哥搭上太空船飛向該星球,由於哥哥感覺該星球和地球的距離僅有 0.02*50=1光年的距離。因此哥哥發現一年後便抵達該星球,兩年後返回地球。可是弟弟觀察到哥哥以接近光速飛向50光年的星球再返回,已經是100年後的事情。弟弟感覺哥哥座標內的時間過得較緩慢 50*0.02(縮短比例)*2(來回)=2年結果兩人再度相聚時,弟弟已經超過百歲,而哥哥不過經過兩年的光景。是不是有點像神話故事中的情節呢?可是在相對論的理論內是正確的。

只是我們尚且無法發展如此高速的飛行器,但是我們卻可以在實驗室中對一些基本粒子加速而達到類似上述的情景。
有人或許會想:以哥哥的角度而言,也可以認為是弟弟(和地球)以極高速遠離他,然後再回頭相聚。這樣不是變年輕的應該是弟弟而不是他。可是實際相距時只會有其中一種情形出現。(哥哥較年輕)這期間的矛盾如何釋懷呢?

  主要差別在於『哥哥』前去與『返回』時都必須經歷『加速』的階段。  因此以上兩系統是不對稱的。至於加速座標不再是慣性座標,因此無法僅引用狹義相對論的推論。而必須考量『加速過程中』的時空變化,而這一段只能說屬於『廣義相對論』的內容。在『加速座標中』時間也會變得遲緩,空間會扭曲而與『重力場』等效(無法區分)。

時空:四度空間

 由於在描述速度接近光速的座標系統的事件或物體時,『時間』與『空間』或『同時』不再絕對。
因此描述兩事件『同時』發生,必須同時指明所觀察的『時』『空』才有意義。
時間與空間不是獨立無關的座標,而是緊密相關的整體『時空』四維座標系。
對於甲觀察者觀察到事件的時空座標為(x,y,z,ct), 對於乙觀察者觀察到事件的時空座標為(X,Y,Z,cT),
將發現 x2 + y2 + z2 - c2t2 = X2 + Y2 + Z2 - c2T2

相對論是『霧裡學』中最容易令人迷惘,但也是最有趣的單元。
其它有關於 『速度的變換』『動量與能量四維座標』...問題
歡迎多參考相關書籍,足以讓你迷戀好一陣子!
本單元暫且到此告一段落。願意用相對論的概念寫一篇短文嗎?
參考 如果速度的極限--光速只有 10 m/s