愛因斯坦的相對論簡介

一、前言
愛因斯坦的相對論,是個劃時代的巨作。相對論有 “狹義相對論” (special theory of relativity, 簡稱 STR) 及 “廣義相對論” (General Theory of Relativity, 簡稱GTR) 兩種。信堅在此,十分鐘內簡介愛因斯坦的相對論。詳細科普解說,請看李傑信博士,即將在十月底,由台大出版社印行的 “宇宙的顫抖” 一書。

二、狹義相對論
狹義相對論是基於至今科學家所知的兩個基本定律所演繹而出。此二定律是 “相對原理及光速恆定”。

“相對原理” 是說所有物理定律在等速運動的座標中,是完全相同、形式不變。”光速恆定” 是說在任何運動的座標裡,光速 (每秒三十萬公里) 都是一樣不變 。

由此二條定律,愛因斯坦推論出兩個重要結論:
2.1在不同相對運動的座標系統中,時空失去了絕對性。時間與空間一體,是相對的。隨座標軸的相對速度,而有時間延遲 (time dilation) 及空間收縮 (space contraction) 等效應 。

2.2 能量與質量互變,此即著名的 E=mc2.
(人類依此公式,製造了原子彈與氫彈,是愛因斯坦始料不及的。科學知識本身無好壞、善惡,一切在人心。)

三、廣義相對論
愛因斯坦的GTR,是將上面的等速運動座標推廣至等加速運動的座標中。GTR的兩個基本定律是: 等效原理與守恆定理。
GTR1 GTR8 GTR3
“等效原理 (The Equivalence Principle,EP) 簡單的說,物體的加速度就是引力。(譬如你坐在等加速向上運行的電梯所感受的向下壓力,與地心引力同一性質)。”守恆定律”是說在相同的加速度座標裡,所有物理定律是不變的”。
愛因斯坦以此假設,導出優美的數學公式,
Albert_Einstein2
此公式的右邊是物質的性質與動能,左邊是時空的彎曲度。因此,「時空告訴物質如何移動;物質告訴時空如何彎曲。」GTR將引力場視為是四維時空網的彎曲度,以四維時空中每一點的局部曲度表達。引力並不是一種在時空中傳播的東西,引力就是時空。

其主要預測包括:
1. 正確水星軌道近日點的進動率的預測
GTR4  GTR6  GTR5
2. 光波載引力場附近會偏折

3. 重力透鏡
從遙遠光源發射出的光波,經過大質量天體附近時,會被其引力場偏折。橘色箭透露出光源的表觀位置;白色箭透露出光源的真實位置。

4. 引力時間延遲
時間在引力場中會變得較緩慢。在黑洞附近,則幾乎慢到停止。

5. 引力波的存在
四維時空就像一張伸展無限的網。質量的存在,能扭曲這網,形成引力場。廣義相對論認為,有質量的物體運動時,其周圍扭曲的空間(引力場)就會產生波動。這種引力場的波動非常微弱,只有在質量非常巨大的雙聯巨星,在其內旋合併時,才有可能發出較強的引力波。比如,超大質量雙聯黑洞或雙聯中子星的內旋合併。

讀者可參看Brian Greene 在youtube 的簡潔解說
Brian Greene Explains The Discovery Of Gravitational Waves

近兩年來的驚天動地大發現,是人類終於能在地球上觀測到愛因斯坦一百年前廣義相對論所預測的 “引力波”。兩年來,巨型的雙管 “雷射干涉引力波測量儀”(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), 每管長達六公里),分設在世界各地。

此儀一共測到五次宇宙傳來的引力波: 其中四次是由雙連黑洞碰撞所產生。第五次發生在兩個月前 (8/17/2017),此次是由雙連中子星的碰撞所產生,同時也可測到長達100秒的電磁波輻射。全世界的天文台也都觀測到這天空中的火球。這結果,昨天 (10/17/2017) 剛發表在最權威的物理期刊快訊 (Physical Review Letter).

這偵測發現主要貢獻,不僅是証明引力波的存在,而且也証明了,我們已具足夠精準的儀器,可以由地球或衛星,測量到宇宙中傳來的極微弱的引力波, 其中帶有無量宇宙過去的的信息。即除了電磁波信息外,另開了一扇觀測宇宙的窗戶 (天眼),可以了解許多我們至今仍一無所知的領域,也許可以給我 們一些關於暗物質、暗能量的來源的指標。

兩個禮拜前,瑞典皇家科學院宣布,2017年諾貝爾物理獎將頒給 LIGO 團隊的三個領隊: Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne.

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About wtsai

台南一中、台大物理、 哈佛博士。曾任教授、科學家、工程師。專長: 吹牛、高能物理、太空物理,地球物理,人造衛星設計、測試、發射、資料回收及科學應用。略涉: 武俠、太極、瑜珈、導引、氣功、經脈、論語、易經、老莊、一乘佛經、禪經、靈界實相、Hawkins、Seth。

9 thoughts on “愛因斯坦的相對論簡介

  1. 信堅先生您好:

    感謝先生,不棄我等凡人的提問。

    引先生話:

    「其主要貢獻,不僅是証明引力波的存在,而且証明,我們已具足夠精準的儀器,可以由地球或衛星,測量到宇宙中傳來的極微弱的引力波, 其中帶有無量宇宙過去的的信息。即除了電磁波信息外,另開了一扇 觀測宇宙的窗戶 (眼睛),可以了解許多我們至今仍一無所知的領域,也許可以給我 們一些關於暗物質、暗能量的來源的指標。」

    大哉焉。此論:

    後學亦因此有感而云如下「讚嘆」,若有不當之處,尚祈指正。

    「1.3 億光年 的 NGC4993星系 」的「距離」是這「雙連中子星的碰撞」事件發生的地方。

    另外一種解釋的方式是:
    「每日天明,太陽照耀我們,太陽光從太陽「開始」出發一直跑到能讓我們的[臉]感受到「日」的光與熱。」的瞬間。
    您猜「太陽公公發出來的光,跑了多久?」
    足足有「8.9」分鐘。

    所以餘下的工作只是「加減乘除」(以您數鈔票的方式為之既可。)
    「1.3(億) x 365(日,時,分,秒的總加) x (光愛跑多快就跑多快的速度。)」

    親愛的諸位,人類「由(猩猩)演化過來的物種(南懷瑾 先生不認同)。
    依憑牠們自體演進的歷程(西方科學如是說)。」

    我們看到了(觀測到)。「1.3 億光年 的 NGC4993星系 」距離我們幾乎是無限大的「東西」。

    「智能」? 「智慧」? 還是有其它?

    等待開釋是一途,自己加減要下功夫。

    百魔 學習中

    • 百魔師兄:

      多謝快速回應。雙聯中子星內旋合併所引發的引力波及gamma 射線,來自NGC4993,距離地球1.3億光年。之前所測雙聯黑洞內旋合併,來自距地球14億光年外的黑洞。(一光年=9400億億公里)。

      以有限的光速,遠地方來的信息,需要長時間才能抵達地球。因此我們現在所觀測到的宇宙,都是長久以前的古老宇宙。

      信堅也深信,沒有進化論,也沒有演化論。說來話長。

      信堅

  2. 信堅師兄好:

    不好意思,雖然此文已是 “三根普被” 了,今天才第一次讀到量子、相對論科普解說的我,算第四根吧?忍不住冒出頭,頂著一頭霧水出來曬太陽,懇請大家不要笑太大聲!

    1. 等效原理,物體的加速度就是引力:
    如果物體完全不動,譬如粒子真的測不到了,看不見,也測不到能量,那麼應該也不會有波了吧?如果答案是不會有波的話,也就不會產生干涉或衍射,就不會和周遭有形或無形的物理世界互動了吧?(其實,顏在想的主題是:佛法的 “如如不動” 和 “涅槃” 的關係。)

    2. 上述這個完全不動的物體,並不是空,只是隱了。動了,發生了作用,有了現象,重新被測到了,就是顯了。暗能量一直都在,它也是佛法裡虛空裡的有,只是以 “空” 現相。

    3. 量子糾纏,像不像人體由精子卵子結合後細胞分裂至成為一個人?(我的意思是:由身體的局部可測知全體,如DNA),另外,像不像道家八卦講的 “陰陽” ? 好像也有點像奇怪的心電感應。

    4.請問師兄,萬物一體,星球有引力,人類應該也有吧?那麼,場論理論也適用於人?人也有引力?人就是時空囉?時空不真實存在,人也……?

    以上,胡亂問一通,如果太離譜,笑笑就好,糊塗有時也不錯,反正真理一直都在,不會因為不懂就消失了。哈哈。

    顏顏敬上

    • 顏顏師姐:

      師姐胡言亂語,信堅也不知所云回覆,僅供參考。實相言語道斷,心行滅處,動念即乖,開口便錯。

      1. 等效原理,物體的加速度就是引力:如果物體完全不動,譬如粒子真的測不到了,看不見,也測不到能量,那麼應該也不會有波了吧?如果答案是不會有波的話,也就不會產生干涉或衍射,就不會和周遭有形或無形的物理世界互動了吧?(其實,顏在想的主題是:佛法的 “如如不動” 和 “涅槃” 的關係。)
      無風的湖面,平靜如鏡,沒有水波。水波是無常幻象,隨風生滅。平靜的水面,如一面大鏡,能照出周遭萬相,海印頓現。

      2. 1上述這個完全不動的物體,並不是空,只是隱了。動了,發生了作用,有了現象,重新被測到了,就是顯了。
      凡是物體,不管動不動,都是展現的表象,都是顯展秩序。(應該是說,相由心生。一念未起,是隱,起心動念,就顯。隱顯與動不動無關。)

      2.2暗能量一直都在,它也是佛法裡虛空裡的有,只是以 “空” 現相。
      暗能量是什麼,至今仍未有可信的看法。一般科學不完整的推斷,是由於真空起伏 (vacuum fluctuation) 所產生的真空能。但這只是猜測。佛法的猜測是 “真空妙有”。但仍無法圓滿解說,為何它能助長宇宙的繼續向外膨脹。

      3. 量子糾纏,像不像人體由精子卵子結合後細胞分裂至成為一個人? (我的意思是:由身體的局部可測知全體,如DNA),另外,像不像道家八卦講的 “陰陽” ? 好像也有點像奇怪的心電感應。
      量子糾纏是說,本來是一體的物體,分裂成兩個部分後,雖運行相當遠,仍能瞬間互通信息 (如有機體,牽一髮而動全身)。這現象攏統的解說,是萬物一體,不可分割。雖然似有分割,但仍然是一體運作。

      此現象無法以我們的有限物理定律來解說。因為依據相對論的法則,信息是以有限的光速 (每秒三十萬公里) 傳送。大衛.玻姆提出了宇宙全息論的假設來解說,認為我們三維世界的物理現象,是高維度(或無限維度)的投影,有如從不同角度看魚缸裡的魚。

      4.請問師兄,萬物一體,星球有引力,人類應該也有吧?那麼,場論理論也適用於人?人也有引力?人就是時空囉?時空不真實存在,人也……?
      人身是有質量的物體,心靈能量也可轉變成物質能量,可依 E = mc**2 轉變成質量。有質量就會彎曲時空。這完全是由外相的有形物質的觀點而言,沒有加入”靈性、自性”的主宰部分。[其實,以時空來解說引力,只是數學的運算解說方便。信堅認為,引力當有更深的真義,只是一時已忘言。等見性後,有機會再向師姐解說。]

      信堅

      • 哈哈,好,就這麼說定,等著E = mc**2實現的那一天!◕‿◕
        謝謝您因材施教,哈哈!
        顏顏敬上

  3. 信堅先生與顏顏女士您們好:

    後學於此恭拜諸賢達開釋。

    佛,菩薩慈悲,普渡眾生。
    佛,菩薩宣揚的「平等心。」

    是不是讓大家都能懂。?

    先生與女士間的對話,跳過了「俗眾」。

    方才翻閱南懷瑾 先生之 「小言黃帝內經與生命科學」第66節有如此說法:
    「我們古書這樣講陰啊、陽啊,你們千萬注意!學了醫給病人不要用這些術語講。要用普通的話給他講。我最怕那些學佛,學道的有學問的人。常常拿課堂上那些名詞跟普通人談話,豈不是要命嗎? 學問歸自己,講話要盡量的白。」

    以下是百魔淺見,祈眾賢達指教。
    先生短日之內 寫下「相對論」與「量子力學」的重點,真神人也。
    「這個世代真有(理論物理學者)存在。」
    讚嘆!讚嘆!讚嘆!

    蠢如我,體會再三,目前也僅能先收錄,日後點滴體會。

    Dr. Feynman 在他為初學物理的大學生們曾說(課程是關於「量子力學」):
    Perhaps in some small place where there are individual teachers and students, they may get some inspiration or some ideas from the lectures. Perhaps they will have fun thinking them through—or going on to develop some of the ideas further.
    RICHARD P. FEYNMAN June, 1963 [那一年,我三歲。]

    我已經過了「反動」「抗爭」「說屁話」的年代。我期待「真」。
    No matter what, that form is.

    百魔 拜

    • 百魔師兄:

      多謝師兄熱烈回應。師兄應是念物理的同行,因此對近代科學的兩大支柱: 量子力學與相對論有此強烈的興趣與深入的了解。恭喜。

      談到南懷瑾大師,他是近代難得一見的最偉大的導師。對一切學問,如易經、老莊、孔孟、密宗、佛經,氣功、等等,無所不通。能以自己的語言文字,講經說法,啟發培養無量後進,是信堅最佩服的導師之一,可惜兩年前到十方禪寺拜訪時,他已作古。

      談到黃帝內經,昨天信堅忙完了科普介紹,又回頭重看黃帝內經,對陰陽、五行、中醫理論,又有較深的領悟,法喜無量,也許有機緣,可再張貼幾篇介紹文章。

      還有,師兄似乎對 R. Feynman 相當敬佩。他是我上一輩最著名的理論物理學家之一,與信堅的指導教授 J. Schwinger 齊名,在Schwinger 六十大壽時,Feynman 還特別來捧場 (兩人都是同在紐約市念高中的猶太人),談笑風生,還提起彼此間的陳年舊恨 (同行相妬) 的典故呢。

      最後,古德一再提示,講經說法,不能依文解義、斷章取義,也應消化了之後,以自己的解悟,簡單、明瞭、扼要的向眾生解說 (像六祖惠能大師一樣),三根普被,利鈍全收,才是真的悟解如來真實義。

      信堅

  4. 信堅 先生您好:

    請原諒 後學 愈來愈無禮。生命有限。

    我不知道「無明」是否等同於「莫明」,但於莫明之間,我想問?

    「認知」的本質到底是什麼?

    1. 認識,(閱讀,聽聞,授學)

    2. 知曉,(終於切(調)到同頻率,懂得(收到的)知識所言為何。)

    3. 分辯,(疑問),跑到這位置,應生疑問。
    (猩猩或狗狗牠們也有「想」這個動作,所以本能上會反應周圍對牠有利的情狀,
    牠們試完便「罷」,如果「無回饋」本能性地回復原狀。)

    4. 存疑與修正。(所謂「人」異同於眾生)

    (1063 / 1376) The Feynman Lectures on Physics Volumes III (1963)

    This is the logical tightrope[a rope or wire stretched tightly high above the ground, on which acrobats perform feats of balancing.] on which we must walk if we wish to describe nature successfully.

    RICHARD P. FEYNMAN

    這幾年來,我用我有限的「智力」意圖體會,先賢的論述。

    想了解他們「最初衷」的心思,他們是用怎樣的「心」在看世界。

    故經常有「不知所云」的表述方式,祈 先生海涵。

    百魔

    • 百魔師兄:

      信堅猜想師兄是問 “常識”、 “知識” 與 “智慧”之間,有何分別。”常識” 、”知識”與提高靈性階層無關,只是世間普通的物表認知。智慧是對任何人事物,有深廣的洞見,了悟萬物一體、道通為一。因此五明皆通。一門通,一切門通,一法通,一切法通。

      常識、知識有如大樹上的葉子。瞭解了許多片葉子,對樹的整體,沒有幫助。智慧如瞭解整棵樹的根、幹、枝、葉,及整棵樹如何成長。

      一門都不通的是凡夫。只通一門的是下士。通了幾門的是中士。通了十門已上的是上士。樣樣都通的是無上士。

      智慧是自性本具,去除無明,妄想、分別、執著,有清淨心,才能增長智慧。佛經教導,唯有修禪定,才能開智慧。多讀世間學問,只是增長知識。

      信堅

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