好讀首頁 世紀百強 | 隨身智囊 | 歷史煙雲 | 武俠小說 | 懸疑小說
言情小說 | 奇幻小說 | 小說園地 | 有聲書  | 更新預告

黃河《相對論(上)》2016/2/12

  相信你一定聽過愛因斯坦的相對論,可是你了解它的內容嗎?
  真了解嗎?
  幾週前陪家人看一部科幻片,由於內容和「黑洞」以及「相對論」有關,而我又自認了解黑洞(請參見 《球繞著球旋轉的奇妙宇宙》),因而片子演到一半,為了幫家人理解劇情,我自作聰明地解釋黑洞的原理。
  沒想到才講了開頭,大兒子脫口便問:「你了解相對論嗎?」
  這問題當場問得我啞口無言。
  慚愧啊,我自認擁有物理天分,然而對物理學的一大支柱──相對論卻是一知半解!
  說「一知半解」都誇張了,更正確地說是「完全沒概念」。
  因而從那一刻開始,我暗暗起誓:近日只要有空,必定要仔細研究相對論,直到徹底明白,再使用最簡單的文字寫出來。
  這篇文章就是我近日的研究心得。
  假如你對相對論瞭若指掌,這篇文章可以跳過,不看。
  同時我要對你抱抱拳,誠心地說一聲:佩服!
  假如你對相對論毫無興趣,這篇文章也可以跳過。
  沒什麼好慚愧,這世間沒幾個人對相對論有興趣。
  否則奉勸你:靜下心來,認真地看完這篇文章。
  別的不敢自誇,教學時我頗能掌握「深入淺出」的道理。
  然而有一利必有一弊,正因為深入「淺出」,所以文章的內容頗長,看的時候請務必保持耐性。
  現在言歸正傳。

  知道什麼是宇宙嗎?
  人類自有思想以來,宇宙始終是科學界的一門大課題。
  這門大課題非常複雜,然若簡化了再簡化,大體可歸納成「時間」與「空間」兩個問題。
  是的,研究宇宙就是研究「時間」與「空間」的關係。
  好比說宇宙何時誕生(時間)?當時宇宙是什麼樣子(空間)?
  經過數百億年(時間),宇宙為什麼形成今天這模樣(空間)?
  再過數百億年(時間),宇宙又會演變成什麼德行(空間)?
  …………
  凡此種種,研究宇宙大體不脫「時間」與「空間」兩個因子。

  什麼是時間?
  對人類而言時間再直覺不過,好比說1天有24個小時,1小時有60分鐘,1分鐘有60秒鐘。
  拿起手錶,看看牆上掛鐘,那「滴答滴答」的聲音就是時間。
  即使是文盲、傻蛋,也應該了解時間的意義。

  什麼是空間?
  空間就是我們生活的三維世界。
  就數學定義來說,三維包含X、Y、Z三個軸所建立的座標,每個軸從「負無窮大」到「正無窮大」 (請參考圖一)。


圖一。


  有了圖一,科學家才能順利表達空間中某一個「點」(X,Y,Z)的位置。
  好比說(5,3,4)代表圖二的綠點。


圖二。


  以上就是最粗淺的「時間」與「空間」概念。
  現在請思考一個問題:時間和空間是彼此獨立,相互沒有任何關係的嗎?
  這問題挺複雜的,如果你沒時間思考,不妨直接看以下答案。

  早期的科學家的確認為時間和空間是彼此獨立,相互沒有任何關係。
  好比自伽利略時代以來就建立了這種絕對時空的觀念,至於牛頓創立的古典力學和古典運動學,也立基於這種絕對時空觀的基礎之上。然而他們越是研究到後來就越發覺,宇宙中的時間和空間是難以分割的兩個因子。
  特別是宇宙並非「靜止不動」。
  好比圖二的綠點,除非它全程在座標系中靜止不動,否則就牽涉到它「何時」在(5,3,4)的位置。
  僅僅告訴科學家某一個「點」位於(5,3,4),那不夠嚴謹。
  這就如同警察抓犯人,線報說人犯藏在高雄華王飯店302房──請問這情報足夠嗎?
  是昨天藏在那兒,此刻住在那兒,或後天才住進華王飯店?
  許多問題除了空間,時間也很關鍵。
  因而1905年愛因斯坦提出相對論(狹義相對論),強調「四維時空」的概念(請注意它的用字「時空」,包含了「時間」與「空間」),認為時間和空間互有影響,彼此無法分割。
  也就是,宇宙實際上是由X、Y、Z三個軸,以及「時間」共同組成的四維世界。
  「時間」怎麼會硬生生地和「空間」綁在一起?
  那是因為宇宙萬物隨時隨地都在運動。
  即使地球上靜止不動的一個點,其實也隨著地球的自轉、公轉,分分秒秒都在運動。
  就因為萬物無時無刻不在運動,因而研究宇宙問題,「空間」無法脫離「時間」單獨存在。

  講到運動,我們不得不談談數學定義中的運動──速度。
  什麼是速度?
  速度的數學公式為:



  (V:速度 D:距離 T:時間)

  請牢記這個小學生都看得懂的公式,它是相對論演繹的核心,而其中的D就是「空間」。
  這公式說明了什麼?
  一、講到運動,空間和時間是兩個牢不可分的因子。
  二、「速度」是「空間」除以「時間」的結果。
  上述兩句是不是廢話?
  科學研究經常繞著廢話打轉。
  好了,我不廢話,言歸正傳。
  記住:「速度」是「空間」除以「時間」的結果。
  好比甲、乙兩地相距10公里,張三使用1小時從甲地跑到乙地,張三跑步的平均速度就是:(D=10)/(T=1) = 10公里/時。

  現在我們可以做一個小結論:研究宇宙問題最終集中在三個因子:時間、空間、速度。
  此時我們必須回頭再談一談「時間」。
  時間的概念很直覺、很簡單,即使文盲、傻蛋也了解。
  可是,那只是生活中粗淺的概念,當我們研究精確的科學問題,時間就變得非常複雜。
  好比說什麼是「1秒」?
  1年除以(365天 X 24小時 X 60分) 就等於1秒?
  這1「年」又是從何而來?
  「年」的長度是一個「固定值」嗎?
  如果「年」會變化,秒不就跟著改變?
  另外,要如何精確度量「1秒」?
  手中拿支馬表,壓下,滴答一聲就是1秒?
  那支馬表準確嗎?
  好的機械錶,每天誤差不超過兩、三秒。
  好的石英錶,每週誤差不超過兩、三秒。
  別忘了這兩句話當中的那個詞──誤差,管他多精準的鐘錶,或多或少都存在些許誤差。
  事實上,這世界不存在「百分之百」準確的鐘錶。
  準不準是比較。
  機械錶利用彈簧、齒輪的轉動計算時間,和石英錶相比,準確度差了。
  石英錶之所以「比較」準確,是因為它利用石英晶體的「振動次數」來計算時間。
  石英晶體每秒振動的次數高達32,768次。
  科學家利用這特性設計簡易的電路,由電路計算石英晶體的振動次數。而每當計數到達32,768,電路就會傳出訊息,石英錶的秒針便往前走一格。
  明白嗎──石英錶把「1秒」切割成32,768份,然後透過電路一份一份計數。
  它度量1秒最大的誤差是多少?
  這問題就如同我們使用一個極小的「機器刨刀」來度量1米的長度。
  這把機器刨刀具備什麼特性?
  一、切割下來的每一小片都是等長。
  二、當切割到999片時長度小於1米,一旦切到1,001片,長度又超過1米。
  請問如此刨刀度量1米的最大誤差是多少?
  當然是1 / 1,000米!
  也就是1 / (刨刀切割1米所需的次數)。
  同樣的原理,請問石英錶度量1秒最大的誤差是多少?
  當然是石英晶體振動1次所需的時間。
  也就是1/32,768秒──多精確的結果啊!
  可是,如果我們找到另一種晶體,它每秒的振動次數為石英的10倍,使用這種晶體做成的手錶,其準確度就會高出石英錶10倍。
  講到這你應明白:度量時間是拿一個「參考值」來計數,而此參考值將「秒」切割得越「細」,它所得到的結果就越精確。
  除了晶體的振動次數,這世間還有什麼參考值「很穩定」、「數值很大」,而且是遠遠大於32,768?
  腦筋動得快的讀友可能已經想到了:那不就是「光速」嗎!
  沒錯,是光速,它的數學符號是C。
  C是一個非常穩定的常數(constant),每秒行進距離299,792,458米──這數值夠大吧?
  自從科學界確定光速的值,許多度量單位都轉以C取代。
  好比1秒就是光行進299,792,458米所需的時間。
  至於1米則是光子1 / 299,792,458 秒所行走的距離。
  別懷疑科學家如何計數那麼大……,或是反過來說那麼微小的值,反正他們就是有辦法。
  否則他們如何有資格被稱做「科學家」?

  科學家是一群實事求是、斤斤計較、盡鑽牛角尖的怪胎。
  即使拿光速度量距離、時間,他們仍感覺不夠。
  最起碼在光速的基礎上,科學家持續提出許多疑問。
  疑問之一便是「時間」。
  當我問你「現在幾點」,你必須舉起手錶,看一眼錶面,然後才能告訴我答案。
  那答案正確嗎?
  別忘了你要「看」一眼!
  什麼是看?
  光子打到錶面,反射到你的眼球,穿過水晶體,折射後投影在視網膜。
  換言之,我問的「現在」,你回答時已經耽誤「看」一眼的時間。
  或許你會說光速那麼快,如此一個「小而又小」的時間差有什麼好計較的呢?
  可是對浩瀚的宇宙,光速還快嗎?
  單單是地球所處的銀河系,從左緣飛到右緣就需要10萬光年。



  別說100,000光年,假設有一個星球距離地球5,000光年,此刻──你看黃河渡文章的一刻,正巧有一個外星人透過一台超級巨大、超級先進的電子望遠鏡窺視著地球,請問「此刻」外星人看到的畫面是什麼?



  可能是五千年以前,中國人的先祖黃帝和蚩尤大戰!
  當然,對渺小的人類而言,光速太快了。因而依據我們的生活經驗,「看」的誤差可以忽略不計。
  可是對研究宇宙的科學家,再微小的誤差也要精確計算出來。
  再舉一個簡單的例子。
  如果光速很慢,慢到每秒只能行進10米。這時甲、乙兩人肩併肩站在一塊,分別拿出一個時鐘,擺在眼前一起對時。接著左右轉向,分別朝兩邊走去,等兩人距離10米再停下來,然後相互看著彼此的時鐘。
  請問他們會看到什麼?
  由於光線從10米之外傳過來要耗費1秒的時間,因此每個人都覺得自己的時鐘比對方「快了1秒」!
  
  講到這你應明白:上帝創造的宇宙鐘,和我們人類熟悉的時鐘,往往是兩碼子事。
  現在你對「時間」、「空間」,以及「速度」應該有比較清晰的概念。
  你也才有資格進入我們的主題──相對論。
  雖然你有資格了,可是我累了。
  這週就講到這兒吧。
  利用接下來的七天,閒暇時不妨好好思考「宇宙」,以及宇宙包含的三大因子:時間、空間、速度。
  如果你忙,沒空,只想繼續往下看,也沒關係。
  下禮拜我會接續往下講。


好讀首頁 有關好讀 讀友需知 聯絡好讀

搜尋好讀


黃河渡  網購黃河的書
首頁
寫給渡友
黃河的人
黃河說自己
什麼是好的小說
黃河的實體書
獵殺紀壯艦
甲午再起
誰綁架了總裁
死了一個少將
古墓情魂
牛郎的女人
月光光
梅蝶
黃河給青年的信
黃河話半百
黃河談禮教
黃河來時路
背著書包的猴子
熱石行動
黃河的話 2017
黃河的話 2016
黃河的話 2015
黃河的話 2014
黃河的話 2013
黃河的話 2012
黃河的話 2011
黃河的話 2010
黃河的話 2009
黃河的話 2008
黃河的話 2007
黃河的話 2006