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物理的感悟:(五十)一些對光速與超光速的誤解
2026/01/18 03:16:19瀏覽20|回應0|推薦0

關於相對論,在許多物理書籍與教學影片,尤其是科普的書與影片,常傳播一些似是而非的觀念。在這裡以真實相對論解說清楚。

首先最容易混淆的觀念是光速。光速在力學的觀念中就是光的速率。光每1秒在空間前進1光秒的距離。光速是1光秒/秒。這個觀念與所有其他物體在力學中的速率觀念完全一致。

閔考斯基空間是一個渾然一體的四維空間。人類採用計時器與尺,兩種方法測量空間中兩點之間的距離。這樣測量的度量是閔考斯基度量。計時器測量的1秒等於尺測量的1光秒,也就是299,792,458公尺。將1秒轉換成1光秒的轉換單位是1光秒/秒。剛好與光速的數值與單位相等。在相對論中的光速其實是時空單位轉換常數,跟力學中的光的速率物理意義完全不同。很不幸相對論的書籍或影片沒有先釐清,對於初學的人造成嚴重困惑。

光秒與秒都是長度單位。因此時空單位轉換常數沒有量綱。如同1公里等於1000公尺。公里到公尺的轉換常數是1000公尺/公里,也沒有量綱。

其次,許多物理書籍、影片、甚至維基百科都提到所有物體的速度都是光速。這個說法違反常識。人每天看到的物體速度沒有一個是光速。任何人聽到這些說法會覺得難以理解。尤其是還有另一個相衝突的說法是物體不可能到達光速。但是物理書中有複雜的數學推導。過程看起來沒問題。這是怎麼回事?

這是一個典型偷換觀念及越用數學越難懂的例子。物體在四維空間是一條線。沿線是物體的四維路徑。在線上任何一點A可以建立一個四維速度。在A之前任選一點B。從B到A可以建立一個向量。向量的方向是從A到B的方向。向量的值是從B到A的路徑長度。將B逐漸趨近A向量長度對於路徑長度的變化率是物體在A點的四維速率。方向是向切線。合起來是物體在A點的四維速度。由於變化率是四維路徑長度除以四維路徑長度,不分度量都是1。因此這個向量是單位切向量(unit tangent vector)。

在閔考斯基空間,單位切向量稱為四維速度。為什麼這樣稱呼呢?因為取這個向量的空間分量除以時間分量得到的是物體的三維速度。由於1秒=1光秒,1=1光秒/秒。因此數學上可以將單位切向量的數值寫成1光秒/秒。雖然物理意義不同數學上卻與光速一樣,就宣稱是光速。這其實是以四維速率偷換了一般人的速率觀念,導致理解錯誤。

物體能不能到達光速呢?所有的說法都是物體不能到達光速。很常見的解釋是當物體速度增加接近光速,物體的能量急遽增加。要到達光速物體需要無限的能量,因此物體不能到達光速。這個說法沒有說物體如何加速。其實物體可以到達光速,只是到達光速的物體發生了結構性的改變,不再被認為是物體。一般認為物體必須有質量,偏偏光速的物質沒有質量,不被稱為物體。在量子論有一個顯著的例子。當正電子與負電子相遇後,會變成伽馬射線。正負電子可以被認為是物體。伽馬射線被認為是光,不再是物體。而且伽馬射線不帶電,物理性質也發生了變化。

光的四維路徑上任何兩點的距離為0也造成理解上的困難。在熟悉的歐幾米得空間中,距離為0的兩點其實是同一點。於是有一種說法認為光的路徑實際上是一點。光沒有動。這個說法是錯的。光是電磁波。雖然兩點距離為0,但是光在兩點之間仍然波動變化,自然不可能是同一點。

還有一種說法。兩點距離為0,光的在兩點的原時為0。光沒有經歷時間。對於人類觀察者來說,光路徑上任何兩點的四維距離為0。原因是時間分量與空間分量相等,導致四維距離為0。但是時間分量不是0。至於光的原時,原時定義要求光本身是參考系。然而光的四維路徑不能測量時間。是不能測量時間,不是測量的時間為0。因此光沒有原時,不是經歷時間為0。上述的說法是錯的。

光的四維路徑上任何兩點距離為0在觀念上造成許多困擾。如何理解其意義呢?這個情況只發生在閔考斯基度量。其他度量,如歐幾米得度量,沒有這種情況。這就證明閔考斯基度量不是宇宙固有的度量,而是因人類觀察方法產生的度量。也顯示人類觀察的侷限。真實論的一個研究方向是使用沒有這些侷限的非人類度量描述宇宙的規律,更能呈現真實宇宙的原貌。關於度量,後續會有更深入討論。

物體能不能超越光速呢?從真實相對論的宇宙設定就已經排除這種可能。不只不能超越光速,甚至不能到達光速。但是,就如同上述正電子與負電子相遇的例子,到達光速的物質不能被稱為物體。在量子論中有超越光速的量子纏結現象。雖然超越光速,卻不是物體。真實相對論已經為了這些情況預留了餘地。等到討論這些理論時再補足。

( 知識學習科學百科 )
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