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一切都是幻覺?為什麼E=mc2

立報/本報訊 2012.12.12 00:00
PanSci泛科學網作者:owlsCC by Bahadorjn@flickr「時間」和「空間」對你而言,意味著什麼呢?也許在你想像的畫面中,空間是寒冷冬夜裡繁星點點的浩瀚蒼穹,又或許是裹著星條旗、拖著金色尾巴的火箭,將神采奕奕的太空人送入孤獨的衛星軌道時,身後留下的一片空虛。而時間也許就是手錶上滴答作響的時針,抑或是隨著太陽第五十億次向北傾斜中,慢慢變黃的葉子。古往今來,我們都在這個藍色的星球上生活著,直觀地感受著時間和空間。十九世紀末,人類在好似沒有任何關聯的幾個領域內,相繼取得了重大的科研突破,這些科學成就促使物理學家們重新審視我們眼中的時間和空間,以及那些停留在直觀層面上的認識。不久之後的二十世紀初,愛因斯坦的導師及同事閔考斯基這樣寫道:「從現在開始,時間與空間已不再各自獨立存在,取而代之的是兩者混合體的誕生。」這段著名的宣言,直接宣判了古代關於天體運行等天文理論的死刑。那麼,閔考斯基所說的「時間和空間的混合體」到底是什麼呢?要了解這個帶有濃重神祕色彩的新名詞,我們就必須了解愛因斯坦的狹義相對論。在狹義相對論裡,世界第一次看到了E=mc2這個著名的公式;由此,在繼續探索宇宙奧祕的旅程中,光速 c 進入了我們的視野,並牢牢地站在科技大舞台的正中央。愛因斯坦狹義相對論的核心內容是對時間及空間的描述。其中,最重要的一個概念是一種速度,一個宇宙中任何事物都不可能超越的極限速度,也就是光速。在真空中,光速可以達到每秒299,792,458 公尺。光以這個速度,從地球出發,經過八分多鐘可以到達太陽,十萬年後能穿越我們所在的銀河系,超過兩百萬年後可到達仙女座星系,我們在宇宙中最近的鄰居。每當夜幕降臨,地球上最大的天文望遠鏡就會將目光投向宇宙的深處,盡全力去捕捉最深處的點點光芒,而發出這些光芒的恆星可能此刻早已消亡。比地球從一團星雲中誕生還要早幾十億年,也就是在大約一百億年前的時候,這些星光便開始了自己的旅程。光速極快,但相對於星際間的遙遠距離,也顯得那麼微不足道。我們能透過類似於歐洲核子研究組織在瑞士日內瓦的大型強子對撞機這樣的設備,把一些非常小的物體加速至接近光速,差距僅約光速的百分之一。這個特殊速度的存在,或者說是宇宙航速極限的存在,本身就是一個奇怪的概念。如同我們接下來會在本書中揭示的,將這個速度和光速聯繫起來,其實是一個障眼法。而在愛因斯坦的理論中,它將扮演更重要的角色,同時光為什麼以每秒299,792,458 公尺的光速前進,也自有其原因。當然,這些都是後面的內容。現在,我們僅僅需要知道當物體以接近於光速的速度移動時,意想不到的事情便會接踵而來。有沒有任何其他的原因在阻止物體以超越光速的速度運行呢?因為我們對「沒有任何物體的速度能超過光速」這句話的感覺,就好像「不論發電機的馬力有多大,自然法則都將導致我們的車速無法超過每小時一百公里」一樣令人費解。顯而易見,自然法則不像道路速限那樣需要交通管理部門來貫徹執行,因為整個時間和空間都是依照自然法則形成的,這些自然法則是無法在這樣的世界裡被打破的。如果它們被打破,這個世界中便會產生很多無法預料的結果,這不能不說是我們的幸運。在本書後半段的章節裡,我們將發現,如果我們能超光速移動,那麼人造時間機器就能回到歷史上的任意時刻。可以想像,出於某種目的或是不小心,我們回到了自己出生之前的某個時刻,並阻止了自己父母的相知相識。這類情節經常出現在精采的科幻小說裡,但是真實的世界卻無法如此編排,愛因斯坦的研究也表明我們的世界不是那樣形成的。時間和空間以一種精妙的方式交織在一起,避免了這些似是而非的觀點產生。但是,為了究其原理,我們需要付出代價,必須捨棄一些根深柢固的關於時空的觀念。在愛因斯坦所描述的宇宙中,移動的鐘錶會變慢,運動的物體會縮小,人們可以到幾十億年之後的未來世界旅行。同樣在這個宇宙中,人們的生命可以被無限延長,長到人們可以看到太陽燃盡,海水蒸乾,目睹整個太陽系陷入永恆的黑暗。人們還能見證新的恆星和行星從星塵中誕生的過程,甚至可以看到新的生命萌發在宇宙的某個角落,即使作為他們家園的那顆星球目前還不存在。愛因斯坦的宇宙能開啟人們通往遙遠未來的高速通道,同時也能將回到過去的大門死死關閉。(下周續)

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