運動定律與電磁學定律
1905年春天的一個黃昏，愛因斯坦，當時只是一個專利人員，一天辛勞工作後決定坐電車回家 愛因斯坦通常會盡快完成手頭上的工作，以便在空閒時間思考宇宙的真理 就是在電車上的這些思想實驗，徹底顛覆了現代物理理論 就在電車駛離Zytglogge鐘樓的時候，愛因斯坦想，如果電車在光速下駛離會怎麼樣 他意識到如果他的速度達 每秒186,000英里，時鐘的指針看起來是完全靜止的 與此同時，愛因斯坦知道，鐘樓實際上仍如常以正常速度運作 對愛因斯坦來說，時間是放慢了。這個想法令他雀躍萬分 愛因斯坦得出結論，你移動的速度越快，你穿越時空的速度越慢。這怎麼可能呢？ 愛因斯坦的理論深受最具代表性的物理學家影響 首先是他的偶像牛頓，牛頓發現了運動定律。其次是電磁學定律
Newtons Laws
電磁學定律是由麥克斯韋提出的 牛頓定律堅信速度不是絕對的 而總是相對的。所以在衡量速度時，必須加上“相對於”這個詞 例如，相對於一個靜止的人，一輛火車正以40公里/小時的速度行駛 但是，相對於沿著同一方向行駛20公里/小時的火車，它的行駛速度只是20公里/小時 而相對於向著相反方向行駛20公里/小時的火車，它的行駛速度是60公里/小時 地球、太陽和整個銀河系的運行速度也是如此 另一方面，麥克斯韋發現電磁波(例如光)的速度都固定在最高速的 無論用誰的角度看，它都是299,792,458米/秒 那? 麥克斯韋的概念似乎與牛頓的相對速度概念不相容 如果牛頓的定律真是適用於所有事物，那為什?生命的速度是例外呢？ 這難題很困擾愛因斯坦 牛頓概念與麥克斯韋概念兩者間的衝突，可以用另一個愛因斯坦的思想實驗來展示 愛因斯坦想像自己站在火車平台上，目睹了分別在他兩側的兩次閃電 因為愛因斯坦剛好站在兩次閃電的正中間 他同時從兩側看到閃電所產生的光束 但是，如果有另一個人也看到閃電，但他是在一輛正以光速行駛的火車上，那情況便會變複雜了 如果光速符合相對論法則，則火車上的人不會同時看到兩次閃電 從邏輯上看，他會先看見靠近火車的閃電 如果兩個人都量度光速，他們所量到的速度會有所不同。這違反了一個基本的宇宙定律。 愛因斯坦不得不做出艱難的選擇。要?牛頓的定律不完整，要?光速並不是宇宙定律。 愛因斯坦發現，這兩個概念是可以共存的，關鍵是要對牛頓定律作一小調整 要解釋兩種情況的光速為何不同，愛因斯坦提出，火車上那人的時間 必須減慢以補償速度的下降，這樣量度得的速度便會維持不變 愛因斯坦稱這怪論為「時間膨脹」，和他新發現的理論「狹義相對論」 牛頓認為，時間一直向單一方前進 然而，愛因斯坦發現，時間會隨著速度變化而伸延和收縮
Special Relativity
由於這個延展性 時間應如空間一樣，有自己的維度。事實上，愛因斯坦認為兩者是一體和一樣的 它們一起形成了一個四維結構或連續體，叫時空 宇宙中的日常事件都在這時空中展開 愛因斯坦認為，像太陽這樣高密度的物體，並沒有拉扯其他物體，如地球般 反而是彎曲了它們周圍的時空結構 迫使地球跌落這個陡峭的山谷 一個簡單的例子，好比一個保齡球跌落一張彈床 如果在彈床上放一粒波子，波子會立即滑向保齡球 地球的引力也是如此 我們被固定在地面上，是因為地球所扭曲的空間，將我們從上方推到下方 但是，地球周圍的下陷結構並不是均勻的 地球中心的曲率最大。我們越移向地球中心，地球的引力便越大 因此，就像彈床上的波子一樣，當物體跌向地球中心時，它會不斷加速 它在接近地面時，下降速度會比在大氣層時快 但看啊，根據狹義相對論，你穿越空間的速度越快，你穿越的時間會越慢 這表示，地面上的時間比在大氣層上的時間慢 好了 因為不同的行星有不同的密度，亦因此有不同的重力 它們加速物體的速度亦不同。這表示時間流逝的速度也不同 這便是電影Interstellar所描述的情況。當主角降落在黑洞附近的行星時 由於那星球的引力非常大，在那星球上的一小時，便相當於地球上的七年 要了移動如何影響時間，讓我們以簡單的計時器作為例子 每次光子反射，便相當於一秒 我們再想像有兩個人，一個人在飛船上，而飛船在地球大氣層上；另一個人則站在小山丘上 就在地球地面上 兩人都看著一個人從太空跌落地面 而正跌落地面那個人，他正帶著剛才提及的計時器 當那下跌的人在他們面前掠過時，他們分別看到的是什麼呢？ 他們看見的，會像車站人員看一列正行駛的火車中的一個彈跳球 當那個人從太空跌下時，那兩個人會看到計時器內的光以三角形移動 這意味著光線移動的距離更遠 結果延長了那一秒的時間 很明顯，光以三角形移動的距離，以及那一秒的時間 是與那人下跌的速度成正比的 我們記得物體越接近地球中心下跌得越快 我們可以確定，時間於小山丘上那人是較慢的 而時間於飛船上那人是較快。當然，差異是極微小的 時間山頂上的時間與地面上的時間，兩者的差異是以納秒計 時間膨脹會影響每個時鐘，無論它是基於基本電磁學，還是結合 電磁學和牛頓運動定律。事實上，甚至生理過程也會受影響而減慢 是的，你的頭比你的腳稍為年長一點