前言



第1章? 相對論誕生前的物理學

伽利略的發現，宣告中世紀的結束 - 「慣性座標系」必然存在

伽利略的相對論是？ - 未來愛因斯坦相對論的基石

重力和光都能經由以太傳送？ - 光的真面目，有2種說法

光是電磁統一的象徵 - 決定所有電磁現象的馬克士威方程式

如何計算地球的絕對速度 - 利用鏡子計算速度

20世紀初葉，壟罩物理學界的烏雲 - 邁克森—莫雷實驗

牛頓力學的破綻 - 以太究竟在哪裡……

狹義相對論，誕生前夕 - 電磁學與牛頓力學的矛盾

column1 愛因斯坦的人生(1)

∼生於19世紀德國的意義∼



第2章? 狹義相對論的世界

愛因斯坦，16歲的夢 - 用光速追逐光，會看到什麼呢？

愛因斯坦的三級跳 - 愛因斯坦版本的相對論即將誕生

全宇宙通用的物理定律 - 制定「原理」，了不起的愛因斯坦

相對性原理支配了物理學！ - 所有的慣性座標系都是同等的

不隨時空變化的光速 - 光速不變原理

2個原理推導出的奇妙現象 - 光速會無視觀察者的速度

顛覆科學常識的狹義相對論 - 時空圖乃狹義相對論的基礎

用時空圖表示移動中物體收縮的狀態 - 在狹義相對論的世界，物體會收縮

將時間和空間合而為一 - 以光為媒介的相對性原理和光速不變原理

用光鐘觀察時間膨脹 - 壽命在宇宙中會延長

從時空圖認識時間膨脹！ - 太空船內外的時間流逝

物體愈接近光速，就縮得愈短 - 物體長度收縮公式

質量隨速度增加 - 消耗的運動能量會變成質量！？

時間流逝愈久，速度愈難改變 - 何謂慣性質量和靜止質量？

能量與質量的不單純關係 - 能量用在增加質量上

為什麼是E=mc2？ - 能量與質量的關係可透過光速的平方換算

歡迎來到四維時空 - 以四維幾何學的形式表述

column2 愛因斯坦的人生(2)

∼離開德國，至義大利和瑞士生活∼



第3章? 跟著量子力學，進入微觀世界

用噴射機測試時間膨脹的男人 - 證明相對論預測的實驗

宇宙射線隱藏的謎團 - 來自宇宙的基本粒子的命運

相對論對生命進化亦有貢獻 - 證明緲子壽命延長的實驗

探究宇宙創生之謎的粒子加速器 - 將能量轉變為物質！！

應用在癌症治療的狹義相對論 - 相對論的時間膨脹帶來的神奇效果

沒有相對論，就沒有20世紀後的文明！ - 相對論衍生的產物(1)

核能與原子彈的相對論世界 - 相對論衍生的產物(2)

核分裂和核融合也是相同原理 - 太陽能的基礎也是核融合

相對論也可能實現星際旅行？ - 將理論可行的技術付諸實現

column3 愛因斯坦的人生(3)

∼由瑞士重返德國∼



第4章? 廣義相對論的全貌

解決難題的提示是？ - 人在墜落時，感覺不到自己的重量

狹義相對論的2個弱點 - 加速座標系的重力問題

廣義相對論的「某個難題」 - 如果在下墜的電梯裡放開手中的蘋果……

由3個原理構築的廣義相對論 - 廣義相對性原理、等效原理、重力不存在時，狹義相對論方能成立

2個重量之謎 - 「重力質量」和「慣性質量」有何不同？

實驗證明2種重量是相等的 - 重力質量和慣性質量是相等的

光會因重力而彎曲！ - 光和重力的密切關係(1)

距離地表愈遠，光行進的速度愈快 - 光和重力的密切關係(2)

重力位能愈高，光的行進速度愈快 - 光和重力的密切關係(3)

在重力場中，空間會彎曲 - 歐幾里得空間

用廣義相對論處理彎曲的時空 - 廣義相對論是非歐幾里得性的，也活用了黎曼幾何學

column4 愛因斯坦的人生(4)

∼前往美國∼



第5章? 跟著宇宙論，進入巨觀的世界

觀測日食，證明廣義相對論 - 讓愛因斯坦一炮而紅的實驗

「太陽光的紅移」實驗 - 重力會使光改變

闡明光和宇宙！！ - 「狹義」存在於光、「廣義」存在於重力的世界

來自外星「小綠人」的訊號 - 中子星的發現與時空彎曲

在時空中振翅飛舞的蝴蝶──重力波 - 就算不存在物質，也會出現重力

黑洞與相對論 - 從方程式得知黑洞的大小

宇宙會伸縮！？ - 宇宙常數引導出宇宙創生的關鍵

大霹靂之前，宇宙不存在 - 相對論解開的「天地創造」之謎

什麼是宇宙暴脹？ - 初始的宇宙充滿真空能量！

行車導航器也是相對論的衍生產品 - 我們都生活在相對論的世界裡！



結語

前言



　　愛因斯坦提出相對論前，走過的是一條由先人智慧累積而成的漫漫長路。伽利略繼承了古希臘阿里斯塔克斯和16世紀哥白尼提倡過地動說，而其後的牛頓則統整了伽利略的「慣性定律」，提出「牛頓第一運動定律」，進而完成以三項「運動定律」為基本原理的牛頓力學。



　　很快地，牛頓力學成為科學概念的基礎，將時空視為絕對關係的世界觀，在工業革命的技術革新中占據不可或缺的重要性。工業革命及隨後由19世紀中葉至20世紀初期的泛英和平盛世（Pax Britannica），可說是靠著牛頓力學才取得先機。



　　然而另一方面，在英國法拉第率先起頭、由馬克士威完成的電磁學理論的發展下，物理學家逐一發現各種牛頓力學無法說明的現象。荷蘭物理學家勞侖茲的實驗，亦證明牛頓力學理論無法通用於電磁現象。



　　牛頓力學雖然撐起了現代的物質文明，碰上電磁現象卻無用武之地。為了解開這個謎團，科學家進行了各式各樣的研究，最終才誕生了相對論和量子力學，從而揭露電磁現象在時間、空間和因果描述上的制約，剝奪了時空概念的絕對性。科學家向世人展現，人們從牛頓力學衍生的近代生產技術，最終反而超越了牛頓力學。



　　狹義相對論發表於1905年，可說是象徵了世界中心由19世紀大英帝國繁盛巔峰的泛英和平，轉移至20世紀美國主導的泛美和平時代的重大事件。



　　狹義相對論與量子力學相互輔助，為電腦和通訊機器內外的電子及電波活動打下基礎，發展出新幹線和噴射機等交通工具，而能量與質量等價的理論（E=mc2）更促成核彈的誕生。狹義相對論就在這樣的發展下，成為美蘇冷戰時期的幕後黑手。



　　然而，狹義相對論依然存在2個弱點。其一，是這個理論只適用於慣性座標系，無法用在其他具有加速度的座標軸；其二，是並未處理到重力問題。為了解決這2個問題，愛因斯坦在正值第一次世界大戰的1916年，提出了廣義相對論。



　　……以上就是相對論誕生前的過程概述，而接下去的發展，就要請各位閱讀本書了。



　　沒錯，相對論涉及廣袤宇宙的時空祕密，和能量與質量間的謎題，確實相當深奧，難以輕易理解全貌。如今仍有許多人陷在相對論深不見底的學問中，嘗盡挫敗。



　　不過，相對論背後的基礎原理，其實只有「相對性原理」和「光速不變原理」而已。只要確實掌握這兩點，相對論便能迎刃而解。各位只要謹記此原則，將不明白的部分慢慢思考清楚、逐步前進，想必就能體會相對論對我們的生活有多麼重要了。希望各位可以愉快地閱讀本書。