時間真的人人一樣嗎？認識狹義相對論（第一部分）
Is Time the Same for Everyone? An Introduction to Special Relativity — Part 1
從香港高中課程發展說起
根據 Now 新聞的報道，教育局提出更新高中生物、化學及物理科的課程與評估架構， 並建議把課程內容劃分為 核心部分（Core Part）和 延展部分（Extended Part）， 以配合不同程度及興趣的學生。
報道指出，物理科擬加入 量子物理學（Quantum Physics） 及 狹義相對論（Special Relativity） 等以往高中課程未有涵蓋的內容。 更新課程擬於 2029/30學年 在中四級推行。
課程改革的其中一個方向，是鼓勵更多學生認識科學、數學與創新科技。 報道亦提到，學校資源、教師培訓及數字教育工具將是推行新課程的重要條件。
閱讀 Now 新聞原文引言：我們對時間的直覺可靠嗎？
在日常生活中，我們很自然地認為：一秒對所有人來說都是一秒。 如果兩個時鐘運作正常，它們理應永遠顯示相同時間。 我們也可能認為，一件在香港發生的事情和一件在太空船上發生的事情， 是否「同時」發生，應該有一個人人同意的答案。
這種想法接近牛頓物理學中的 絕對時間（Absolute Time）： 時間好像一條以固定速度向前流動的河流，不受觀察者運動狀態影響。
然而，愛因斯坦（Albert Einstein）在1905年提出的 狹義相對論（Special Relativity） 告訴我們：當物體以非常高的速度運動時， 不同觀察者對時間、距離和「同時發生」的測量可以不同。
1. 狹義相對論的兩個基本原理
狹義相對論可以從兩個基本原理開始理解。 現階段不需要進行複雜運算，重點是掌握這兩個原理如何改變我們對時間與空間的看法。
物理定律對所有慣性觀察者相同
The laws of physics are the same in all inertial frames.
如果兩位觀察者都以固定速度運動，而且沒有加速， 他們進行相同的物理實驗時，應該得到相同的基本物理定律。 沒有任何一個慣性參考系可以被指定為宇宙中唯一的「絕對靜止」參考系。
真空中的光速對所有慣性觀察者相同
The speed of light in vacuum is the same for all inertial observers.
無論光源或觀察者如何運動，只要是在真空中測量， 每位慣性觀察者測得的光速都是相同的。 光的表現並不遵循我們在日常生活中使用的簡單速度相加方法。
真空中的光速（Speed of Light in Vacuum）
約為每秒三億米。這是本篇唯一需要記住的主要數值。
2. 甚麼是參考系？
參考系（Frame of Reference） 是觀察者用來描述位置、速度及事件時間的測量系統。 我們可以把它理解為觀察者所使用的一組座標、時鐘和測量工具。
例如，一名乘客坐在平穩行駛的列車內。 對乘客而言，放在桌上的水樽是靜止的； 但對月台上的人而言，水樽正與列車一起向前移動。 兩人的描述不同，但兩者都可以是正確的。
列車參考系
在乘客的參考系中，座位、車窗和桌上的水樽都可以是靜止的。
月台參考系
在月台觀察者的參考系中，列車、乘客和水樽都正在移動。
如果一個參考系沒有加速，只是保持靜止或以固定速度沿直線運動， 它便稱為 慣性參考系（Inertial Frame of Reference）。 狹義相對論主要研究不同慣性參考系之間的關係。
3. 互動模擬：普通物體的速度可以相加，光速呢？
首先比較日常生活中的普通物體。假設一個球相對發射者以每小時30公里向前拋出。 如果發射者站在地上，地面觀察者量得的球速約為每小時30公里； 如果發射者站在向前行駛的車上，地面觀察者量得的球速便會近似等於 「車速加上拋球速度」。
光的情況卻不同。如果靜止燈具和移動太空船在同一位置向前發出光， 地面上的慣性觀察者不會量得其中一束光是 c， 另一束是 c + 太空船速度。 兩束光在真空中的測量速度仍然都是 c。
普通物體與光的速度比較
Comparing an Ordinary Ball with Light
4. 普通物體與光有甚麼不同？
在低速的日常情況下，速度相加是一個非常合理的近似。 例如，一名乘客在向前行駛的列車上向前步行， 月台上的人會把乘客的步行速度和列車速度結合起來描述。
| 情況 | 日常直覺 | 相對論觀點 |
|---|---|---|
| 列車上的乘客步行 | 速度可以近似地直接相加。 | 在遠低於光速時，日常方法是很好的近似。 |
| 移動光源發出的光 | 可能以為光速要加上光源速度。 | 所有慣性觀察者仍測得真空光速為 c。 |
為了讓所有慣性觀察者都測得相同光速， 時間和空間便不能像牛頓物理學所假設的那樣完全絕對。 這正是相對論出現時間膨脹、長度收縮及同時性相對性的原因。
5. 「同時發生」對所有人都一樣嗎？
想像一列很長的高速列車正在向右行駛。 一道閃電擊中列車前端，另一道閃電擊中列車後端。
如果兩次雷擊在月台參考系中同時發生， 站在兩個擊中位置正中央的月台觀察者會同時接收到兩邊傳來的光。 因此，他判斷兩次雷擊是同時發生的。
列車中央的乘客正在向前端的閃光移動，同時遠離後端的閃光， 因此他會先接收到前端傳來的光。不過， 「先收到前端的光」本身並不足以證明前端雷擊較早發生； 乘客還需要考慮光由雷擊位置傳到自己所在位置所需的時間。
在列車自己的參考系中，乘客位於列車前端和後端的中央， 而前、後兩方的光速都是 c。 經過傳播時間修正後，同一組雷擊事件在列車參考系中仍然不是同時發生： 前端雷擊較早，後端雷擊較遲。
6. 互動模擬：事件發生時間與收到光的時間
列車與兩道閃電
Lightning Events and Reception of Light Signals
7. 三個常見誤解
8. 概念小測驗 Check Your Understanding
一艘太空船以很高的固定速度向地球移動，並向前發射一束光。 地球上的慣性觀察者會量得甚麼光速？
一輛車以40 km/h向前行駛。車上的人以相對於車30 km/h的速度向前拋球。 在日常低速近似下，地面觀察者量得的球速約是多少？
靜止燈具和向前移動的太空船在同一位置同時向右發光。 地面觀察者比較兩束光時，正確描述是哪一項？
前、後兩次雷擊在月台參考系中同時發生。 對向右行駛列車上的中央乘客而言，他會先收到哪一道光？
乘客先收到前端雷擊的光，單憑這個接收次序， 是否足以直接證明前端雷擊較早發生？
同一組雷擊事件在月台參考系中同時發生。 在向右移動的列車參考系中，事件次序是怎樣？
9. 中英物理詞彙 Physics Vocabulary
English Summary
Special relativity is based on two main principles. First, the laws of physics are the same in all inertial frames. Second, all inertial observers measure the same speed of light in vacuum.
These principles mean that time and space are not completely absolute. Observers moving relative to one another may disagree about the time, distance or simultaneity of events, while still following the same physical laws.
Relativity does not mean that everything is merely a matter of opinion. The measurements made by different observers are connected by consistent, testable rules.
總結 Summary
狹義相對論的起點並不是複雜公式，而是兩個看似簡單但影響深遠的原理： 物理定律在所有慣性參考系中相同， 而真空中的光速對所有慣性觀察者亦相同。
為了同時滿足這兩個原理，我們需要放棄「時間和空間對所有人都完全相同」的直覺。 不同運動狀態的觀察者，可以對事件的時間、距離和同時性作出不同測量， 而且每一組測量都可以在相應的參考系中成立。
- 沒有一個慣性參考系是宇宙中唯一的絕對靜止系。
- 所有慣性觀察者都會測得相同的真空光速。
- 兩個事件是否同時發生，可以取決於觀察者的參考系。
狹義相對論系列第二部分將進一步探討： 高速運動會令時間變慢嗎？時間膨脹（Time Dilation）的秘密。
延伸思考 Reflection Questions
- 為甚麼「不同觀察者得到不同結果」不代表其中一人一定量度錯誤？
- 如果普通物體的速度可以近似地相加，為甚麼光速不能使用相同方法處理？
- 如果兩件事情在一個參考系中同時發生， 為甚麼另一個運動中的觀察者可能認為它們並不同時？