請問相對論....?

Question

我一直對愛因斯坦的相對論很好奇

可是看過很多書籍還是覺得很抽象

可以解釋的具體一點嗎~~?

我指的是相對論的原理....
不是愛因斯坦的生平喔

Answer 1

相對論一般分為兩種:特殊相對性理論(以下簡稱特殊相對論)和一般相對性理論(以下簡稱一般相對論).
其中特殊相對論只適用於地球上,而一般相對論則適用於整個宇宙.
特殊相對論以"相互在等速度中運動的慣性系統"為其基準所發展出來的學理;一般相對論則探討關於速度改變時在存在有加速度的座標系統中的情形(這關係到萬有引力定律).
首先來探討何謂一維 二維 三維 四維?
一維(1D)空間為點的世界!
二維(2D)空間為平面的世界!
三維(3D)空間為立體的世界,也就是我們所處在的世界!
四維(4D)空間則為比立體的三維空間多了一個時間軸的座標!
理論上倘若位於四維空間則可以任意的前往未來或回到過去!
在這裡我們先探討特殊相對論的幾個簡單的例子:
EX1:你下雨天時乘坐日本的新幹線,假設雨是垂直落下,但你看的雨滴將是往斜後方下的.相對於你而言雨是下斜的,但相對於車外的人而言雨是下直的!
EX2:假設你乘坐一架以光速飛行的太空船進行太空旅行(以光速遠離地球),相對於你而言你是靜止的,而以光速遠離你的是地球.我們又說光速運動的物體時間會變慢,所以你會認為地球的時間走得比較慢.但相對於地球而言卻完全相反,相對於地球的觀測者反而認為你的時間過的應該比較慢!
結論就是相對於觀測者而言,不同的觀測者會產生不同的觀測結果!
更淺顯易懂的解釋如下:我們假設你搭車時身旁坐著一位很美麗的女孩或歐巴桑,相對於美女來說你會覺得時間彷佛過得特別快,而相對於歐巴桑來說你會覺得時間彷佛過的特別慢一般(這是愛因斯坦向大眾說明的一個最能理解的說法)!
接著我們來探討一般相對論的一個最有名的例子-雙子弔詭:
我跟你慢慢解釋你自然就會懂了,其實根本就沒有弔詭不弔詭的問題.
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我們假設有兩個雙胞胎兄弟,哥哥搭乘一架以光速60%飛行的太空船;且火箭性能極加,可以任意加減速.火箭出發後立即以光速之60%飛行,目的地為距地球大約6光年之巴納德星.抵達巴納德星的瞬間立即折返,並以相同時間回到地球.請問這時哥哥仍當壯年而弟弟會不會已是一老翁呢?答案當然是否定的;為什麼?
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這時候就常會有人這樣認為:相對在地球上的弟弟而言,哥哥是經過起飛,加速至光速60%,然後以光速60%遠離地球;對弟弟來說應是哥哥的時間過得較慢!"但"相對於太空船上的哥哥來說,以光速60%遠離他的應該是在地球上的弟弟;情形正好相反不是嗎?那應該是哥哥比較老囉?
其實不然!請注意:上面犯了一項很嚴重的錯誤!他以特殊(狹義)相對論來解這樣的問題是錯誤的做法!在特殊(狹義)相對論的一開始我們就說了;特殊(狹義)相對論只適用於地球"且"他探討的是在"慣性系統"中的運動,即"沒有加速度"!這個題目實際上要使用一般(廣義)相對論來解釋才正確(它探討的是非慣性系統中的運動).
OK我們回到這一題來,看以下正解:
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搭乘太空船的哥哥經由發射升空,加速(加到光速支60%)的程序並維持光速60%的速度朝宇宙的盡頭飛行.在接近距地球大約6光年之巴納德星時減速,停下來,迴轉之後再加速(再加到光速之60%)並維持光速60%的速度朝地球飛行;然後接近地球時減速,進入大氣層並降落停止.中間經歷了(停止->加至光速->減速.迴轉->再加至光速->再減速->最後停止)對吧?
哥哥於火箭往返期間經歷16年,則弟弟待在地球時間經歷20年.這段日子中兩人將自己的模樣以攝影機拍攝,並經由電波傳送.以光速60%遠去的對方兩年份的影像,觀測者需花4年的時間看完,而以光速60%接近的對方兩年份的影像,觀測者只要花一年即可看完.
哥哥以自己的時間為準,每兩年向留在地球的弟弟發送光訊號.對弟弟而言哥哥的時鐘走得慢,只是自己的0.8倍.則哥哥的兩年實為弟弟的2.5年(相對論上的時間延遲).在2.5年內以光速60%前進之火箭前進了2.5光年*0.6=1.5光年.也就是說第(n+1)次光訊號傳送距離比第n次光訊號傳送距離長了1.5光年(都卜勒效應).則弟弟接收到哥哥訊號的間隔為該間隔加上[相對論上的時間延遲]與[光的都卜勒效應],則2+0.5+1.5=4年.及哥哥兩年份的影像弟弟必須花4年看完.----(去程)
假設哥哥以光速之60%接近地球.哥哥每兩年發射的訊號,在相對論上的時間延遲一樣為0.5.火箭接近地球時,由於第(n+1)次的光訊號傳送距離比第n次光訊號傳送距離短了1.5光年.則弟弟收到哥哥的光訊號為2+0.5+(-1.5)=1年.哥哥看到接近弟弟影像的情形亦同.----(返程)
即哥哥前往巴納德星8年的影像弟弟必須以16年看完,而哥哥返回地球時8年份的影像弟弟只需4年即可看完.則哥哥在火箭上8+8=16年的時間相對應於弟弟在地球16+4=20年的時間.由此可証弟弟比哥哥老了4歲!