Transcript 自然科學概論的第一堂課 - 物理學系

愛因斯坦與特殊相對論
東海大學物理系‧施奇廷
2015/4/13
Q: 3月14日是什麼日子？
自然科學概論
請寫下
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自然科學概論
你所知道的愛因斯坦，是怎樣的一個人？
愛因斯坦做過什麼事？
你覺得「物理」是什麼？
1879/03/14 Ulm, Germany
自然科學概論
小時候……
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自然科學概論
不會說話？
成績很爛？
老師當他是
白癡？
史上最強和平主義者
妹妹的證詞……
自然科學概論
1905: 爆炸性的一年
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自然科學概論
On a heuristic point of view concerning the
production and transformation of light （光的量子
理論）
On the motion of small particles suspended in
liquids at rest required by the molecular-kinetic
theory of heat（熱力學、布朗運動）
On the electrodynamics of moving bodies（狹義相
對論）
自然科學概論
自然科學概論
兩個「胡思亂想」

如果我「坐」在光上面，與光以同樣的
速度一起旅行，我會看到什麼？
狹義相對論！
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如果我搭的電梯電纜斷掉，變成自由落
體墜落，我會感受到什麼？
廣義相對論！
自然科學概論
牛頓（Isaac Newton: 1642~1727）
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自然科學概論
空間是均勻的
空間是均向的
時間是均勻的
時間是均向的
「同時性」的崩潰
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自然科學概論
任何兩個事件，都必須以「訊號」連結，
最快速的訊號是「光」
光速是有限的，因此要連結非同地的兩
事件，至少需要「距離／光速」的時間
對靜止的觀察者是「同時發生」的事件，
對運動中的觀察者則未必
關於同時性的假想實驗
自然科學概論
Example……
自然科學概論
光是一種波動
  波長
v  波速
T  週期
f  1 / T  頻率
v
自然科學概論

T
 f
自然科學概論
自然科學概論
自然科學概論
光速是固定不變的……
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相對運動的概念
「波」的相對運動
以太
Michelson-Morley 的實驗
既然光的傳播不需要介質，因此就沒有「相對速度的概念」
自然科學概論
站長看到球的速度＝
車掌看到球的速度＋列車速度
站長看到光的速度＝
車掌看到光的速度
自然科學概論
時間膨脹
2 h 2  (ut' / 2) 2
t' 
c
t  2h / c
t' 
自然科學概論
t
1  (u / c)
2
Time Dilation
自然科學概論
Proof of Time Dilation
自然科學概論
Proof of Time Dilation
Time gained ~ 150 nm
自然科學概論
Hafele and Keating Experiment
GPS and Time Dilation
自然科學概論
Twin Paradox
自然科學概論
Lorentz Contraction
L'  L 1  (u / c)
自然科學概論
2
Lorentz Contraction
V=0.1 C
V=0.87 C
自然科學概論
V=0.99 C
V=0.999 C
Mass and Energy
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物質的「靜止質量」：m
速度：v；光速：c
古典動能：E=mv2/2
相對論：E2=m2c4+p2c2 → E=gmc2
g



自然科學概論
1

1 v2 / c2

質量與能量之間可以互換
運動中的物體質量將增加
當接近光速時，質量趨近於無窮大→凡是靜止質量
為正之物質皆無法被加速至光速
1945/8/6 Hiroshima
自然科學概論
1945/8/9 Nagasaki
Example……
自然科學概論