NEWTON牛頓科學雜誌 8月號/2017 第118期：相...

從本期開始，我們將分4期為各位介紹「相對論 再入門」。

相對論是物理學家愛因斯坦（Albert Einstein，1879∼1955）所構築與時間和空間相關的物理學理論。雖然Newton也曾多次介紹過相對論，然而因與我們日常生活的常識大相逕庭，所以對許多課題都有嚴重誤解。在本系列報導中，除了詳細介紹相對論的基本概念外，對於容易誤解的部分我們還會予以提醒和導正，讓大家對相對論有更深入的理解。第一回的內容我們將介紹相對論的二大基礎公設──光速不變原理（constancy of the speed of light）和相對性原理（the principle of relativity）。

相對論有兩個基本公設，其中一個就是「光速不變原理」。誠如字面所示，是光的速度（光速）永遠不會改變（不變）的原理。
速度恆定是件非常不可思議的事，因為速度會因觀察者的立場很容易就發生變化。舉例來說，當有一輛時速120公里的車子從時速100公里的車子旁邊呼嘯而過時，從坐在時速100公里之汽車中的人來看，從自己旁邊超車而過的車子速度是20公里（＝120公里－100公里）。
現在讓我們以光速取代球速來看看吧！光的速度大約是每秒30萬公里（正確來說是每秒29萬9792.458公里）。倘若一面前進一面發光的話，光的速度應該會變快吧！然後，倘若我們一面前進一面觀察朝向自己而來的光，光的速度看起來應該會增快自己前進這部分的速度才對。
然而，不管是光的發出源（光源）或是觀測者如何的快速移動，光的速度依舊維持每秒約30萬公里的速度沒有改變。這個違反我們日常之速度常識的現象稱為「光速不變原理」。
愛因斯坦在1905年6月所發表的相對論論文中表示：「不管發出光的物體是靜止的還是移動的，光都會以固定的速度前進」。很多人誤以為光速不變原理僅是愛因斯坦個人的假設，然而如今經過許許多多實驗的高精密度確認這是個事實。

日本名古屋大學理學研究科研究所的松原隆彥副教授表示：「也許大家都以為每個物理學家都對相對論深信不疑，然而事實恰好相反，許多物理學家進行各種實驗，企圖找出愛因斯坦的錯誤，也有人反覆進行理論思考，期待發現其中的破綻。儘管如此，都未能發現違反光速不變原理的現象。」
光的真正身分是空間的「電場」（electric field）※和「磁場」（magnetic field）※振動傳遞的波，光也稱為「電磁波」（electromagnetic wave）。不僅只是我們肉眼所能見到的光（可見光），連紅外線、紫外線、無線電波、X射線等也都是一種電磁波，它們之間的差異僅是波長（頻率）不同罷了。即使波長不同，但是所有電磁波在真空中皆以光速（每秒約30萬公里）前進。
光速不變原理嚴謹來說是在沒有重力作用（時空沒有彎曲）時才成立的原理。不過，即使是在有重力作用的場合，只要十分靠近觀測對象（光），即可視時空彎曲如無物（重力的影響可忽略不計），因此光仍然是以光速行進。光的速度看起來變慢是從遠方觀測行經重力作用之場所的光時的情形。

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篇篇精采的科學報導，請見《牛頓科學雜誌》2017年8月號(118期) 。

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