四維時空：時間與空間的不變性，以及光速不變原理

本文，將會追隨相對論的視角，首先來解讀愛因斯坦眼中的四維時空——其中時間與空間會有怎樣的特性。

然後，會介紹光速不變原理的形成過程——它是相對論的基礎假設，也是鍾慢尺縮效應的底層邏輯。

最後，還會從三個不同的角度層面，來論述理解——光速為何不變。

主題目錄如下：

• 四維時空
• 光速不變原理
• 從不同角度看光速不變

四維時空

在狹義相對論中，宇宙模型是一個四維時空，即：三維空間加上一個一維時間。在此我們可看到，空間有三個自由度，而時間只有一個自由度。

而愛因斯坦思維的飛躍性就在於：他認為在四維時空裡，宇宙的一切事物都以一個固定的速度在運動，即光速。因此，他把這個想法稱之為——光速不變性，即反映光速不變的特性。

愛因斯坦曾今，一度想把相對論命名為——「不變論」。

那麼，要理解四維時空的光速不變性，就要從時間與空間兩個角度分別來看，然後再合起來看兩者的關聯，最後才能感知光速不變性的意義。

• 首先看空間

在空間中有速度，並且任何一個方向上的速度，都可以分解成三個空間維度上的分速度。也就說，在空間裡，速度可以在三個維度之間分解與合成，不同的形式是等價的。

例如，在三維空間中，任意方向的速度，都可以分解成，XYZ軸方向的三個速度。而空間速度的意義，其實就是在三個軸上的運動快慢。

• 然後看時間

那麼，在時間維度中有速度嗎？

顯然是有的，這就是時間流逝的快慢，這對應了空間裡運動的快慢，即：流逝快慢對應運動快慢。

而不同之處就在於，空間速度有三個維度，時間速度只有一個維度。

• 接著看時空

既然時空是一個整體，且三維中的速度可以分解與合成，而時間維度也有一個速度，那麼在四維時空裡，空間速度與時間速度，可以互相分解與合成嗎？

愛因斯坦認為，是可以的，並且在四維時空裡，合速度的上限，就是光速——這就是光速在四維時空裡的不變性。

這也就是說，當一個物體，在空間中（相對）靜止的時候，此時它的空間速度就是0，時間速度就是光速；那麼，如果物體的空間速度越來越快，它的時間速度就會越來越慢，但合速度始終保持是光速；最後，如果物體的空間速度抵達光速，它的時間速度就是0。

由此得出的，就是狹相的結論，即：相對速度越快（空間速度越快），時間越慢（時間速度越慢），如果相對速度抵達光速（空間速度抵達光速），那麼時間靜止（時間速度為0），相反如果相對靜止（空間速度為0），那麼時間速度就會是光速。

例如，光子就是空間速度為光速，時間速度為0，而相對靜止的物體，就是空間速度為0，時間速度為光速。

可見，這個模型建立的前提，就是光速是速度的極限。

• 理解時間速度

時間速度為0，很好理解，就是時間不再變化，結合前文論述，也就是物質不再變化。

那麼，時間速度為光速是什麼意思呢？

從具象的想像來看，就是鐘錶指針旋轉的速度是光速，或有個物體的運動（如鐘擺、光子）計量了時間，而這個物體的運動速度是光速。

從物質變化角度來看，如果時間速度為光速，其實就是物質變化為光速，即：物質內部存在一個變化量為光速（這裡光速代表的是一個數值），而這可以有兩種形式：

• 第一，變化量從0到光速。
• 第二，變化量從光速到0。

那麼對應到現實，我們看到物質（衰變）輻射出光子的過程，就會在物質內部存在「空間速度從0到光速」且「時間速度從光速到0」的變化。

因為，物質內部減少的質量轉變成了光子，於是質量的空間速度——就從0跳變成了光子（空間速度）的光速，而空間速度與時間速度是對應的（即合速度是光速），所以質量的時間速度——必然就是從光速跳變成了光子（時間速度）的0。

由此可見，質量轉變成光子的過程——就可以理解為相對靜止的時間速度，即：時間速度為光速，也就是物質存在光速變化量。而時間速度，其實也是一種運動，這就像空間速度是一種運動一樣。

最後，我們發現物質變化，其實就是「質量到光子」即「質量到能量」的轉化。而光子沒有質量，只有能量，且時間靜止，這說明了——質量擁有時間，能量沒有時間，質量到能量的轉化，即是時間的方向。

光速不變原理

事實上，鍾慢和尺縮效應——是狹義相對論的直接推論和預言，而狹義相對論的基本出發點之一，就是光速不變原理——也就是說，狹義相對論直接使用了這個結論。

光速不變原理——是指無論在何種慣性系中觀察，光在真空中的傳播速度都是同一個常數，不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變。

這很有意思，通俗的來說，就是無論你以什麼樣的速度，追著光運動，相對於你來說，光速始終都是同一個常數。這是不符合宏觀速度矢量疊加原理的，也就是說，如果你以99.999999%的光速追趕光，在你看來，光依然以光速遠離你——這個光速依然是同一個常數。

那麼，如果你抵達了光速，光會相對於你靜止嗎？光會像波又像粒子一樣，懸停在你的面前嗎？

很可惜，狹義相對論認為，有質量物體，是永遠無法抵達光速的。

歷史上，光速是一個常數，是由麥克斯韋方程組得到波動方程，然後求解出的結果。但這個光速是相對於一個靜止的參考系的，即假想中的以太。

以太——是人們曾經認為的，在宇宙空間中充滿的一種看不見摸不著的物質，即空間介質。

接著，麥可孫-莫雷實驗證實——以太這種物質不存在，因為測量不到地球相對於以太參考系的運動速度。

但洛倫茲，相信以太還是存在的，他提出了長度收縮假說和洛倫茲變換，即引入了洛倫茲因子（又稱相對論因子），來說明以太可以運動，即長度可以收縮，從而抵消了光速在不同參考系觀察下的速度差，以符合麥可孫-莫雷實驗的結果——光速不變，但又讓以太存可以在。並且洛倫茲認為洛倫茲因子，並沒有物理意義，只是純數學的處理。

再接下來，愛因斯坦根據洛倫茲變換，提出了狹義相對論。並且，他認為以太不存在，且光速不變，那麼只有假定光速相對於任何慣性系都不變，同時洛倫茲因子本來代表的——以太的收縮，就被轉移到運動的物體上。

由此可見，鍾慢與尺縮，最初是來源於數學公式推導的結果，而不是對現實世界的物理思考。

同時，我們也可以看出，洛倫茲變換，並不能證明光速不變，反而洛倫茲變換是假定光速不變，才被推導出來的，接著鍾慢和尺縮又被洛倫茲變換推導出來。

所以，能夠證明洛倫茲變換、鍾慢和尺縮的就是——光速不變原理。

然而，光速不變原理——只是一個基本假設，即公理，只能由實驗保證，而實驗至今也一直守護著它。

從不同角度看光速不變

第一，光在不同介質裡的速度不同。

這可以從波粒二象性，兩個角度來解讀：

• 從粒子角度來說，是介質吸收了光子，發射出了新的光子，光子速度不變，且光子量子態全同前後沒有區別，但發射和吸收有延遲。
• 從波角度來說，是介質裡的粒子被擾動產生電磁波，於是產生了光波的疊加，造成光波的相速度變慢（相速度無法傳遞信息），但波前速度依然不變。

第二，信息傳遞不能超光速。

• 如果與光速物體同向運動，光速物體的信息無法超越光速，傳遞到非光速物體，因此非光速物體無法計算，光速物體相對於自己的速度——「只得」假定其依然是光速。
• 如果與光速物體相向運動，光速物體的信息無法超光速，傳遞到非光速物體，因此非光速物體計算光速物體，相對於自己的速度，最多是光速。

第三，量子場論認為，宇宙中充滿了場與能量，並且光子就是電磁場的量化激發。

所以，光子光速的傳播其實是在場中發生的，因此光速是相對於場，而不是光源的——這就解釋了光速相對於光源運動的不變性，而「場」就可以看成是光的「介質」。

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