吉田休日 X 人間探索

【時間簡史之一】光錐

1865年 Maxwell 提出了電磁理論，解決了光傳播的描述，裡頭預測了光速必為一定值，這個概念引來物理學界的譁然。在古典物理學裡，不可能有速度必為定值的說法，因為人類很早開始就知道空間的相對性，所有的速度都是相對的，A以10m/s的速度移動，B也以10m/s的速度移動，則對B而言，A是靜止的，絕對沒有A一定是以10m/s的速度移動，這樣的狀況存在。

於是1887年，美國學者Michaelson實現了一個實驗，他利用地球的轉速，來製造與光速的相對速度，他比較了兩組數據，一組是順著地球公轉的方向測量光速，另一組是以垂直地球公轉的方向來測量光速，如果過去人們認知的相對速度概念是正確的，則順著地球公轉方向測得的光速，必定會比垂直公轉方向測得的光速為大，因為順地球公轉所量測之光速會等於 — 原光速加上地球公轉的速度。

結果出乎意料的，兩個數據所測出來的光速完全相同。

發生什麼事情？為什麼過去的觀念在光速上完全不管用？於是各方人馬紛紛提出解釋方案，其中最經典的解釋是"乙太"，光速在乙太中行走的速度呈一定值，所以人相對於乙太運動，雖然會對光產生相對速度，但因為光在乙太中行走，所以測得的光速永遠固定。

就如同18世紀英國詩人所寫的那樣。
太初是片混沌，於是上帝說"讓牛頓去吧"，而後大地轉為光明。

後續的發展是，
而後魔鬼說"讓愛因斯坦去吧"，大地再次陷入混沌。

愛因斯坦終結了這場紛爭，他提出了一個足以挑戰過去物理學被奉為神聖的觀念。他說"其實根本不需要乙太，我們只要拋棄時間就好"。

也就是說，我們一直以為時間是固定的，是絕對的，我們順著地球公轉測量光速，若時間過了兩秒，我們便用光行徑的距離除上兩秒得到光速，同樣的，垂直地球公轉測量光速，我們也是用光行徑的距離除上"當時"所經過的兩秒，得到光速，兩個光速一模一樣。但這其實是因為，兩個測量時所經過的兩秒，是不同的兩秒。

當我們順著地球公轉量側，測量者所感受到的時間將變慢，所以雖然過了兩秒，但卻不是一般所認知的兩秒，所以即使光速變快，因為時間增加，所以測出來的光速並不會變快。

這就是1905年，愛因斯坦所提出的"狹義相對論"。

狹義相對論將事情描述為光錐，因為只有光是唯一的標準，空間和時間都是相對的。光錐的中心點是現在發生的事件A，光錐往未來的擴張代表了事件A可影響的範圍，光錐往過去的擴張代表可影響導致事件A的所有狀況。

所以時空中所有的事件都可以用光錐描述。每個光錐代表一個又一個的獨立事件，符合龐加萊協變性，一團光錐任意在時空移動，其結果仍然相同，這代表時空只是相對的事物，不影響整體事件糾纏的狀況，只有光錐互相碰觸，才有影響的可能。

也就是說，現在某處的B事物，如果不在事件A的光錐裡，便不會受到A事件的影響。這件事用在宇宙上特別管用，因為宇宙極為浩瀚，光必須行徑多時才能夠到達另一處。所以我們假定事件A代表八光年外的一顆恆星爆炸，則在這個瞬間，我們在地球的B處，並不會感受到這個狀況，必須在八年之後，B處進入了A事件的光錐裡，我們才能觀察的到那顆恆星爆炸的亮光。

如果用在一般生活也可以充分解釋，例如A丟了一顆石頭，在丟的瞬間，B不會馬上發現A在丟石頭，需要等光傳到B的眼中，也就是B進入了A丟石頭的光錐裡之後，B才會看到A丟了石頭。

但現實生活其實不需要描述得這麼複雜，因為光速在我們日常生活幾乎可視為無限大，所以我們幾乎可以無秒差的感受到另一個事件。

也就是AB點極其靠近。

愛因斯坦的相對論挑戰了過去牛頓的理論，牛頓認為力的傳播是無窮大，但愛因斯坦將力的傳播拉到更高的高度，任何事物速度都無法超越光速。

為什麼？因為當速度達到光速，我們的時間會靜止，若是再大過光速，則將穿越時空，回到負的時間去了，這在常理上顯得無法理喻。

所以後續會提到，力的傳播不會是無窮大，而是靠"基本粒子"中的 – 玻色子來傳輸。

狹義相對論大體上可以解決宇宙大部分的事物，但是在重力附近則會發生失效，這要等到10年後，愛因斯坦解決重力問題時，才能為宇宙提出更完美的解釋，所謂的廣義相對論。