相對論到底是什麼？無論你學習的專業或工作的領域跟科學有沒有關係，都一定聽過這個由愛因斯坦發表的跨時代的理論。舉凡天文、藝術、乃至文學都能見到相對論的蹤影；今年諾貝爾物理學獎的得主頒給了在黑洞理論及實驗研究上有巨大貢獻的學者，而黑洞正是廣義相對論所預測出來的！日前火紅的電影《天能》的導演諾蘭（Christopher Nolan）在六年前的科幻電影《星際效應》，也與相對論息息相關。是什麼使大家對這個物理理論如此著迷？是什麼讓它如此特別？
還記得我國中時的某一堂國文課，課文提到了相對論這個詞。當時老師解釋說：「我對相對論只有粗淺的認識，大概是說時間流的速度是會變的，比如說上課的時候感覺時間過得很慢，玩樂的時候時間又過得特別快。」雖然這樣的詮釋有些問題，但這里點出了相對論中一個非常重要的論點––時間流動的速率是會變的。事實上，在相對論中，時間、空間、質量是會相互影響的，本篇介紹中會先探討時間與空間的關係，質量將會在之後的某個地方出現。
相對論的基本假設
相對論有兩個基本假設，第一個假設引入了「慣性座標系」的概念，一個慣性座標係指的就是一個不受外力、等速度運動的座標系。這個假設是說物理定律在任何慣性座標系都保持不變；或者說，所有的慣性座標系都是等價的。其實就是上一篇文章中對稱性的體現。
第二個假設就是相對論有趣的地方了。
愛因斯坦大膽假設光速在所有的慣性座標系中是不變的，極端一點來說，你即便開始朝著光的方向以光速的一半運動，在你自己的慣性座標系中，你會看到光仍然是以同樣的速率朝你前進，而不是直覺中——光速的1.5倍。那麼這樣的假設會造成什麼結果呢？我們先來回顧一下光速的定義：光在單位時間內走的距離。也就是說，有光速不變這個基礎，我們可以用光走的距離反過來定義時間，這也隱含了空間和時間並不是獨立的，而是透過了「光速」這個媒介被連結再一起。
一個簡單的例子
讓我們用一個例子來簡單說明一下，假設說你坐在火車的最後一節車廂，你的朋友在火車外，火車的長度為$d$，發動後的速率是$v$。火車發動後（忽略加速的時間極短），最後一節車廂發出了一道光訊號，車頭有面鏡子，光遇到這面鏡子後會反射回到最後一節車廂。現在他們想分別測量光從最後一節車廂跑到車頭再回到最後一節車廂所花費的時間，或者說分別測量——光所走的距離。你觀察到光走的距離是$2d$，但你的朋友卻不會這麼認為（如果火車速率夠高的話）。光在行進的過程中，火車也在行進，所以當光走到車頭再回到車廂時，外面的朋友會發現車廂也移動了，下面的示意圖計算了你和你朋友分別量到的距離：
上面的是坐在火車里的觀察者，下面的是在火車外面靜止的觀察者
這個結果代表了什麼？這代表了你和你的朋友（兩個不同的慣性座標系）經歷了不同的時間長度！而且你過的時間比你的朋友還要長，這就是狹義相對論的現象其中之一：time dilation。由最後的式子可見，要觀察到相對論的效應，討論的相對速率必須至少達到光速的0.1%（約$3\times 10^5 m/s$)，所以日常生活也不太會接觸到。讀到這裡，你可能會有許多疑問，因為這與牛頓力學有根本上的差異，如此也是正常的反應。相對論不是短短一篇文章就能釐清的。歷史上也出現了許多與相對論有關的悖論，我也會再下一篇中提到。
一旦一個新穎的科學理論開始受到大眾注意，人們總喜歡在這些理論上大作文章，我們總喜歡幻想未來的世界。有趣的是，真實的世界常常比我們幻想中的都還要瘋狂！相對論所揭露的後續五花八門的現象，也只源自於幾條假設而已。這一系列的下一篇會介紹較為系統性的數學式子和釐清一些常見的迷思。
作者介紹
王維恩
2018、2019年的國手。目前就讀MIT電資學院二年級，有在考慮雙主修物理。
現在正在修相對論，也是我寫這篇的原因。之後可能會介紹一些研究相關的知識。