第一章
狹義相對論

「如果一邊以光速前進，一邊照鏡子，會發生什麼事？」

在警察局。光子正接受拷問。
「我…我什麼都不知道，一切都發生太快，上一百年的事我已經記不得了！」

每個人的高中經驗大概都很類似，班上總是有幾位「酷」學生，老愛挑弄身邊的每樣人事物。所以，我們總是愛把自己想像成是「愛物理的酷學生」，最好是真有這種學生啦。舉個例子給大家。在前面的序言裡，我們雖然嘲弄了那些為了「使物理學活潑生動」，只好以劇烈天災、體育活動或超級大腳卡車來舉例說明的教科書作者，我們不是在放馬後炮，但老實說，有些古怪的例子確實有一點價值存在。

所以，在我們內心深處深深地明白，如果想要物理學派對熱烈展開，事先放點煙火是必須的。如果各位曾經觀賞過國慶晚會的煙火秀，裡面也有一點物理知識，想必各位應該有注意到過，在煙火釋放時，美麗的火光和爆炸聲響有時間落差，火光總是比聲響早了幾秒。同樣地，要是你曾經在音樂廳後面幾排聆賞音樂會，可能也有過類似的經驗，會發現自己在視覺和聽覺上有時間差。這是因為，聲音雖然移動得很快，但光跑得更快。

一六三八年，一個酷小子，比薩的伽利略（Galileo），他為了測量光速，設計了一個實驗：伽利略手提油燈，爬到山上，他的助手則提著燈籠到遠方的另一座山上，彼此打暗號。看到助手開燈，伽利略便照做，看到助手關燈，伽利略再次照做，如此重複不已。之後，兩人把距離拉長，反覆操作，於是測量出光的速度。老實說，這項實驗並不精確，但伽利略的勇於嘗試才是難能可貴之處，何況，他還因此歸納出一個有趣的結論。
光的速度，就算不是無限大，也是極快。

接下來幾個世紀，物理學家們設計出更精確的實驗，但因為方式太過繁複，這裡就不讓你煩心了。大家只要知道：日積月累下來，科學家想測量出光速的心意是愈來愈堅定。

到了今天，科學家測量出的光速是：每秒299,792,458公尺。由於位數太多，我們將之稱為c，也就是拉丁文celeritas的縮寫，意為「迅速」。這樣的天文數字，可不是拿根尺或煮蛋計時器就測量出來的。要如此精確地測量c，必須用為動力來源是銫133原子的原子鐘來測量。根據科學協會定義，一秒鐘，是銫133在「超精細躍遷」（hyperfine transition）時所放射出的光頻率，乘上精確數字9,192,631,770。這聽起來好像累贅而不必要，而且讓人困惑，但其實大大簡化了許多事*。因為如此一來，所謂「秒」，就跟你帽子的尺寸一樣，成了可以定義的具體事物。因為許多物理學家懂得製造銫原子鐘，而銫原子鐘的運作也完全一致，所以每個人的時間也就都一致了。

科學家發明了很有創意的方式來定義秒，可是這對於定義光速有何幫助？所謂速度，就是距離除以時間，例如每小時幾公里等等，因此，秒的定義確立之後，接下來只剩一件事情要做，就是決定公尺的長度。這聽起來不是廢話嗎？一公尺的長度就是一公尺啊！拿把米尺來量不就得了！問題是，一公尺究竟有多長呢？

一八八九到一九八三年期間，一個人如果想知道自己的身高，就得到法國賽弗爾（Sèvres）國際度量衡局（International Bureau of Weights and Measures）去一趟，借用他們的白金米尺才能測量。這樣做不但麻煩，還可能違法（必須事先申請），而且結果往往不怎麼精確。因為，大多數的材料遇熱時都會膨脹，包括白金在內。也就是說，在舊的度量衡標準下，一公尺的長度，在天氣熱的時候，會比天氣冷的時候稍微多出一點點。

因此，與其使用真正的米尺，倒不如使用可以測量秒的時鐘來加以定義，於是變成：一公尺等於光一秒鐘行經距離的299,792,458分之一。兩相比較下，我們可以說：「我們已經準確知道光的速度，對於公尺的長度反而不太確定。」如此嚴謹的工作，為的是要將秒和公尺予以規格標準化，這樣每個人所使用的度量衡系統便完全一致。

不過請記住，上述討論最重要的一點是，光的行進速度並非無限。如果這一點還不足以讓你感到訝異，讓我再投給你一個哲學上的震撼彈：既然光速是有限的，這便意味著，我們永遠在凝視過去。例如，你在閱讀本書時，儘管書本距離你只有一呎之遙，但你看到的其實是幾十億分之一秒之前的事物。太陽發射出的光線需時約八分鐘才會到達地球，因此，就算太陽在五分鐘前已經燃燒殆盡，我們此刻仍無法得知�。當我們遙望著銀河系裡的星星時，這些星星所發射出的光，可能歷經了數百年或數千年才來到地球，因此其中有些星星很可能已經從宇宙中消失不見。

為何我們無法得知船在迷霧中的行進速度？

截至目前為止，在任何實驗中都沒有產生速度比光還快的粒子†。即使我們想要刷新宇宙的速限，似乎也永遠無法如願。而光的恆定速度，正是物理學上有史以來最美味菜餚的食材之一。關於此時此「秒」，我們需要想一想，究竟何謂運動？

為此，我們要向各位介紹一位穿著打扮看起來很像流浪漢的物理學家羅斯汀（Rusty），由於社會對於衛生的標準，因此我等如他的穿著都會遭到排斥。儘管如此，他還是從國際度量衡局「借」來白金米尺（雖然白金米尺並不完美，但以物理學家的流浪漢穿著標準而言還算不賴），並用手中的一些銫原子製造了一副原子鐘。

羅斯汀每天都會把他的包袱在火車的車廂與車廂間丟來丟去，每丟一次就測一次所丟的距離，以及所費的時間。由於速度等於距離除以時間（如每小時幾公里），因此羅斯汀能夠相當準確地測量出包袱的行進速度。