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
任何物體在無外力作用時，都會保持等速度運動（＝無論物體是否處於靜止狀態，只要沒有外力作用，都會持續維持在相同的狀態），這樣的性質稱為惰性或慣性，「所有物體均具有慣性」的規則，則稱為「慣性定律」。「慣性定律」由伽利略．伽利萊（Galileo Galilei）所提出，堪稱是讓歐洲揮別中世紀的巨大發現。而偉大的牛頓（1642～1727年），也將慣性定律納入牛頓力學的第一定律中。
舉例來說，請各位想想馬車的移動方式。因為馬持續出力拉車，馬車才能持續前進。亞里斯多德（西元前384～西元前322年）認為，物體必須持續施以外力，才能保持運動狀態，中世紀的歐洲知識分子也都這麼認為。
伽利略支持哥白尼的地動說，即使面臨宗教審判，依然堅持「地球會轉動」。相信天動說的人們向他質問：若從高塔上丟下一塊石頭，在石頭下墜的期間，若地球真的會轉動，那麼石頭落地的位置，應該會稍微偏離塔底。伽利略回答：若搭乘一艘移動中的船，從桅杆上丟下一塊石頭時，無論船是否正在移動，石頭都會掉在桅杆的正下方。因此，無法因為石頭會落在塔的正下方，就斷言地球不會轉動。雖然同樣也無法據此證明地球會轉動，但如果從另一條小船觀察這艘船，石頭落下的路徑就會不同。伽利略從這項研究中，推導出相對性原理。直到牛頓提出慣性定律後，地動說才終於得到廣泛的認可。
伽利略的相對論是？ - 未來愛因斯坦相對論的基石
如果伽利略生在現代，應該不會提出爬上桅杆這種實驗方法。當各位坐在等速前進的電車座位上時，可以拿出自己的鑰匙圈，舉高後手放開，讓鑰匙圈掉到地上。鑰匙圈會掉在正下方。電車停止時，當然也會掉在正下方。這個現象符合慣性定律，也就是牛頓運動定律的第一定律。伽利略已於實驗中證明，當物體自由落下時，在重力的持續作用下，物體會呈等加速度運動。靠著牛頓第二定律，這個實驗結果才成為普遍的認知。
另一方面，若站在電車外的地面上，觀察電車內的情況，也就是以此觀察者為基準時，車內的物體就會呈現拋物線運動，如左頁圖所示。伽利略將這個拋物線運動分解為垂直方向和水平方向。在垂直方向上，和以電車內的座標系為基準時相同，均符合牛頓第二定律；在水平方向上，當物體即將離手的瞬間，電車水平奔馳的力量會附加在物體上，使物體和電車一同朝水平方向移動。物體一旦開始移動，就會持續移動下去，保持和電車相同的速度進行等速運動（＝等速直線運動）。慣性定律成立，即符合牛頓第一定律。
以上現象可推導出伽利略相對性原理，也就是「觀察兩個以一定速度相對移動的物體，會發現兩者的座標系都可適用相同的運動定律」。這便成為後來愛因斯坦相對性原理的基石。
下一節就為各位介紹，另一個原理──光速不變原理是如何產生的吧！
重力和光都能經由以太傳送？ - 光的真面目，有2種說法
若想移動物體，必定要用手碰觸施力。想用球棒擊球，球和球棒也需要互相接觸。就算不碰火爐，站在一旁也能感受到溫度，則是由於火爐放出的紅外線碰觸皮膚所致。這種必須接觸才能傳遞的作用，稱為接觸作用。
然而，如同蘋果會掉到地上一般，月球也是在下墜的同時環繞地球運行，但月球和地球並不會互相接觸。牛頓認為，地球牽拉月球的重力（萬有引力）並非接觸作用，而是超距作用（非接觸作用）。
不過，與牛頓同時代的荷蘭物理學家海更士（Huygens，1629～1695年）卻認為，絕大多數的物體間都是接觸作用，為何唯獨重力是例外？他假想宇宙中到處都存在一種名為「以太（ether）」的傳播介質。
就像聲音是以空氣為媒介傳播，萬有引力也透過以太這個媒介傳遞到遠方。意即，萬有引力也算是一種接觸作用。
之後，隨著電磁現象實驗的發展，愈來愈多人認為，以太這種物質的彈性也是電磁現象產生的原因。還有學說認為，光也是來自以太的波動。
關於光的真面目，有２種說法，分別是光的粒子說和光的波動說。19世紀時，光的波動說相當盛行，而光若是經由波動來傳遞，就必須有做為波動媒介的物質才行。物理學家認為，那就是以太。
上述的以太學說，成為了所有物理學家寄予厚望的信念。而最終將其徹底擊碎、掀起巨大革命的人，便是愛因斯坦。
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
英國知名的優秀實驗家法拉第（Faraday，1791～1867年）曾在1847年，利用用於墨鏡的偏光鏡，進行了一場劃時代的實驗。如左頁圖<3>所示，當光束通過偏光鏡時，會擷取出朝特定方向振動的光。將這道光再次打在偏光鏡上，若偏光方向和穿過偏光鏡的方向正好相同時，光束就能穿透，反之則完全無法穿透。由此可知，光只有橫波，其振動方向與波的行進方向垂直（圖<1>）。法拉第嘗試讓光穿過偏光鏡，再讓這道偏振後的光束通過磁場。結果發現，偏光的方向受到磁場作用，而出現旋轉現象。這代表光會和磁場發生反應，且光本身可能就是電磁場的振動。
大約10年後，法國的安培（Ampère，1775～1836年──其姓氏即為如今「安培」單位的由來）做了一個實驗。他使定量的電荷流經置於磁場中的電線，測試微小線元素的速度，竟得出秒速30萬km的數值，這豈不是等同於光速嗎！接著在1865年，馬克士威（Maxwell）發表了一篇驚人的論文，以僅僅5道方程式，就能完整描述所有的電磁現象。在推論的過程中，馬克士威想像了以太的具體運動，並以此為依據，但令人意外的是，他所導出的方程式中，卻完全沒有以太的存在。
由此可明確得知，在既無電荷也無電流，空無一物的真空中，電場與磁場其中一方的變化，會誘導另一方的變化發生，並以光速的橫波形式傳遞出去。
20世紀初葉，壟罩物理學界的烏雲 - 邁克森—莫雷實驗
美國的物理學家邁克森（Michelson）曾就讀於海軍學校，初畢業的2年在軍艦服役，而後成為母校的講師，教授物理和化學。任教期間，他從1877年左右開始做光的測定。1880年前往歐洲留學，在德國物理學家亥姆霍茲（Helmholtz）的研究所，開始進行以光測定地球絕對運動V的預備實驗。曾經在軍艦上服役的經歷，或許也是他對「地球號太空船」的絕對速度產生興趣的原因之一。
返回美國後，物理學家莫雷（Morley）加入他的行列，在獲得電話發明者亞歷山大．貝爾（1847～1922年）的經濟援助後，正式展開實驗。實驗的做法，竟是將沉重的石頭放在一塊圓形木板上，再讓木板浮在直徑達11ｍ的水銀槽裡。真是大工程呢！
實驗的基本假設，已在前一頁解說。現在將前頁的圖<1>及圖<2>疊合，成為左頁的圖<1>，就是本實驗的原理。
從正上方觀看實際的實驗裝置，如圖<2>所示，在A點放置一片半透明鏡子，讓光可以穿透，也可以反射。而邁克森設計的干涉儀，就是實驗的「關鍵」。光源C發出的光束被B1和B2的鏡子反射，經由干涉儀形成干涉圖樣，就能得知上一節提到的T2：T1，應當就能求出V。然而，無論將實驗改良得多麼精密、一再反覆試驗，干涉圖樣的明暗都沒有變化，完全無法求出V！這麼說來，難道以太其實根本不存在嗎？這個問題，遂成為一朵壟罩20世紀初期物理學界的烏雲。
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圖書介紹 - 資料來源：TAAZE 讀冊生活 評分：
圖書名稱：趣味相對論
有趣易懂！
一同踏入相對論的世界，
解開宇宙誕生的祕密！
牛頓力學雖然撐起了現代文明，
碰上電磁現象卻無用武之地！
科學家進行各式各樣的研究，
最終誕生了相對論和量子力學。
◎用光速追逐光，會看到什麼呢？
◎壽命在宇宙中會延長嗎？
◎太空船內外的時間流逝相同嗎？
◎物體遠離地表而去時速度較快？
◎狹義和廣義有何不同？
◎光線會因太陽重力場而彎曲？
◎相對論也可能實現星際旅行？
讓我們看電磁現象如何剝奪時空概念的絕對性；
狹義相對論與量子力學如何為電子電波活動打下
基礎，發展出新幹線及噴射機等交通工具；
能量與質量等價理論又如何促成核彈的誕生！
本書特色
1、 相對論的迷人之處！相對論涉及廣袤宇宙的時空祕密，和能量與質量間的謎題，並揭露了電磁現象在時間、空間及因果描述上的制約，雖然深奧卻充滿魅力，讓許多人深陷相對論深不見底的學問中難以自拔。
2、 掌握基礎原理，輕鬆閱讀！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」。只要確實掌握這兩點，相對論便能迎刃而解。只要謹記此原則，跟著本書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。
作者簡介：
大宮信光
科學評論家，科學記者。1938年出生於東京，就讀於東京教育大學（現筑波大學）時期，即開始擔任家庭教師、經營補習班，1967年加入SF同人雜誌《宇宙塵》。約從1978年起，以SF亂學者和科學評論家之名，狩獵、採集並料理以科學技術和文明未來為中心的主題。主要著作有《有趣易懂的 科學有趣之謎》、《引人入勝懂很大之化學》、《引人入勝懂很大之氣象結構》（以上由日本文藝社出版）、《在世界發光的日本科學家們》（講談社出版）、《圖解不可不知的天災地變》（かんき出版 ）等。
譯者簡介：
黃姿瑋
東吳日文系畢，曾任編輯與教職。讀書、看劇、旅遊、吸收新知，與愛貓度過每一天。譯有《甜蜜摩洛哥旅行繪本誌》、《蜜袋鼯飼養與生活指南》、《惡德偵探制裁社》2～4集等。
http://hemingwork.weebly.com
章節試閱
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
任何物體在無外力作用時，都會保持等速度運動（＝無論物體是否處於靜止狀態，只要沒有外力作用，都會持續維持在相同的狀態），這樣的性質稱為惰性或慣性，「所有物體均具有慣性」的規則，則稱為「慣性定律」。「慣性定律」由伽利略．伽利萊（Galileo Galilei）所提出，堪稱是讓歐洲揮別中世紀的巨大發現。而偉大的牛頓（1642～1727年），也將慣性定律納入牛頓力學的第一定律中。
舉例來說，請各位想想馬車的移動方式。因為馬持續出力拉車，馬車才...
伽利略的發現，宣告中世紀的結束 - 「慣性座標系」必然存在
任何物體在無外力作用時，都會保持等速度運動（＝無論物體是否處於靜止狀態，只要沒有外力作用，都會持續維持在相同的狀態），這樣的性質稱為惰性或慣性，「所有物體均具有慣性」的規則，則稱為「慣性定律」。「慣性定律」由伽利略．伽利萊（Galileo Galilei）所提出，堪稱是讓歐洲揮別中世紀的巨大發現。而偉大的牛頓（1642～1727年），也將慣性定律納入牛頓力學的第一定律中。
舉例來說，請各位想想馬車的移動方式。因為馬持續出力拉車，馬車才...
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作者序
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...
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...
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目錄
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...
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...
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