貓咪都比你懂物理！巴斯光年與他的物理喵喵

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

我們都感覺到相同的時間嗎？

在二十世紀之前，科學認為時間是普適的：每個人和宇宙中的一切，都感覺到相同時間。那時的假設是，你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘，那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟，這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下，如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑，會是多麼混亂！

但後來，愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」^*1 概念，改變了一切。愛因斯坦強調，移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星，那麼你體驗的時間，將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢，像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣，而是說地球上的人和時鐘測量到的時間，會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式（以每秒一秒的節奏）體驗時間，但是如果我們彼此以相對高速移動，我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方，製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行，似乎違背了所有的邏輯論證，但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的，因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機（或汽車、飛機）上的 GPS 接收器，會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢（衛星以每小時數千里的速度，在受地球巨大質量彎曲的空間中移動）。沒有這些資訊，你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中，精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時，這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說，宇宙有個最高速限：光速。根據愛因斯坦的相對論，沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率，可以比光跑得快。這個速率（每個時段所移動的距離）的絕對上限，會產生一些奇怪後果，並挑戰我們的時間概念。

首先，先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是：從任何角度來衡量任何人的速率時，這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時，無論你用什麼觀點來看，就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說，手電筒的光線以光速遠離你。不過，我們是否可以把你的沙發綁在火箭上，點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢？如果此時你打開手電筒，會發生什麼事？如果把手電筒指向火箭前方，光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢？

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎？〉花更多時間在這些想法上。但重要的是，為了讓所有觀察者（在火箭上的你和我們其他在地球上的人）看到，手電筒的光線都是以光速移動的，於是某些東西必須改變，這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念，讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間，而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡，你沒有穿越空間（相對於地球）的速率，所以你穿越時間的速率可以很高。

但如果你坐在火箭上，對地球而言，火箭的移動速度接近光速，那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此，為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時，保持在宇宙速限之內，你的時間速率必須減少，在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎？

對於不同人可以回報不同時間長度，你可能很難接受，但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是，人們可能會在某些情況下，看到事件以不同順序發生，而且都是正確的。舉例來說，兩位誠實的觀察者，如果以非常不同的速度移動，他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑，那麼，依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離，你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本，如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動，她看到的比賽結果可能完全不同。而且，所有人都是正確的！（不過要注意的是，每個人的時間起始點都不相同。）

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史，所以不同人可以體驗不同的時間，是令人難以接受的想法。我們可以想像，原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事（這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊）。如果這故事存在，那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查，除非是無心之過或視力模糊，每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的，所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序，會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域，但驚人的是，這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣，我們被迫拋棄自我的直覺，並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎？

打從一開始，人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前，我們從未見過它做過其他事，既然如此，時間怎麼可能還有別的選項呢？由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進，所以很難自信的說，時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信，時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說，時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的，當宇宙達到最大熵時會發生什麼事？在這樣的宇宙裡，一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼，時間會在這一點停下來嗎？還是時間不再有意義？一些哲學家猜測，在這個時刻，時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來，導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過，這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測，而不是實際的科學預測。

還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙，一個時間向前流逝，一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢？我們可以在三個（或更多）空間方向中移動，為什麼不能有兩個或更多的時間方向？真相為何？如往常一樣，我們不知道。

註解

1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》，2023 年 9 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

• 文／賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

你聽過「雙胞胎悖論」嗎？

我有時會問自己，我是如何發展相對論的。我認為其原因是：一個正常的成年人從不去思考空間和時間的問題——這些都是他小時候就想到的；但我的智力發育遲緩，因此長大後才開始思考空間和時間。

——愛因斯坦（Albert Einstein)），1921年諾貝爾物理獎得主

1905 年，愛因斯坦在題為「關於運動物體之電動力學」的論文裡，從兩個簡單的假設，得到結論謂如果張三與李四相對運動，則張三會認為李四的手錶跑得比較慢。在證明這一稱為「時間膨脹」（time dilation）的現象後，寫道：

由此產生以下奇怪結果。如果（開始時）A 點和 B 點在（靜止坐標）K 中觀察是同步的（即同一時刻），但 A 處的時鐘以速度 v 沿 AB 線到 B，則在到達 B 時，兩個時鐘將不再是同步：移動到 B 後的 A 時鐘將落後於保持不動的 B 時鐘…。我們得出這樣的結論：如果兩個 A 處同步的時鐘，其中一個以恆定速度沿閉合曲線移動 t 秒後返回 A 處，則保持靜止的時鐘將發現剛返回的時鐘慢了 tv²/（2c²）秒（c 為光速）。

或許是怕像筆者這樣智力發育遲緩的讀者難懂，愛因斯坦於 1911 年重申並詳細說明這一現象如下：

如果我們把一個活的有機體放在一個盒子裡……我們可以安排這個有機體在經過任意長時間的飛行後，在幾乎沒有改變的情況下返回到它原來的位置。此時保持在原來位置的相應有機體已經早已讓位於新一代，但對於移動的有機體來說，只要運動以接近光速進行，漫長的旅程只是一瞬間而已。

名物理教科書作者雷斯尼克（Robert Resnick）更清楚地解讀謂：

如果靜止的有機體是一個人，而旅行的是他的雙胞胎，那麼旅行者回到家時會發現他的雙胞胎兄弟比自己老得多。但在相對論中，任何一個雙胞胎都可以將另一個視為旅行者，因此再碰面時將比他自己年輕。這在邏輯上看來是一個矛盾的現象，因此被稱為「雙胞胎悖論」（twin paradox）。

「雙胞胎悖論」可以說是相對論中最著名的想像實驗，為許多教科書與通俗科學文章所討論的對象；但筆者卻發現在「泛科學」裡只有一篇書評的文章中提到它！

難道真如諾貝爾獎得主普朗克（Max Planck）所說的：「一個新的科學真理之所以勝利，不是因為說服了它的對手，讓他們看到了光明，而是因為它的對手最終會死去，而熟悉它的新一代會成長起來」？在習以為常的熏陶下，現在的「新一代」已經不再認為「雙胞胎悖論」是值得討論的悖論？

如果你不是這樣的「新一代」，那本文是為你所寫的，相信你在這裡將讀到在其它地方找不到之「雙胞胎悖論」的白話文解讀（不用任何數學）。

同步與同時的「相對性」

普朗克謂：「光速之於相對論就像基本的作用量子之於量子論：光速是相對論的絕對核心。」

可是如何測量光速呢？從甲處發一道光到乙處，將甲乙之距離除以光旅行的時間就得到光速。當然，要能精確地測得光速，甲乙兩處的時鐘必須是互相校正過的、同步（synchronized）的。如何校正甲乙的時鐘呢？相信很多人小時候就已經知道了：將兩個時鐘帶到同一處，然後像電影中之突擊隊，在出發前由隊長發命令說：「讓我們校正時間，現在是……」 。

可是愛因斯坦不知道為什麼竟然沒有想到這一點？或許真的是「智力發育遲緩」，他竟然建議在乙處放一面鏡子來反射甲處在零時刻所發的光，如果乙處接到光的時刻正是甲處光來回所需之時間的一半，我們便說甲乙兩處的時鐘同步化了。用這種方法來同步化時鐘，很顯然在邏輯上我們便不可能測單方向的光速是否為定值了，所以愛因斯坦增加了一個假設，即光是在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值 c！

如果我們將同步化的甲乙兩個時鐘分別放在火車月台的兩端，讓它們在同一時刻（零點）往月台中心發射一道激光，則站在月台中心的賴教授應該「同時」收到來自甲乙兩端的激光（圖一 a）。

但坐在從乙往甲方向以等速 v 行駛之車廂內的李教授，卻發現甲、乙激光發射後一直在以同一速度 c 逼近賴教授（圖一 c）；但因賴教授在往乙方向運動，因此如果光同時到達賴教授處（任何人都同意的「事件」，否則賴教授不是說謊就是頭腦有問題），李教授將下結論謂：甲乙兩個時鐘並不同步，甲時鐘顯然先發射，因此比乙時鐘快（甲的零點比乙的零點早）！

所以「同時」將因觀察者之運動而異：賴教授說甲乙兩激光是同時發射的，李教授卻說甲激光先發射的！如果李教授坐的火車是由甲往乙方向行駛呢？他將發現乙激光是先發射的！

這似乎是很明顯的結論，為什麼要等愛因斯坦告訴我們、難道牛頓沒想到嗎？牛頓不是沒想到，而是他認為宇宙中有一獨立於任何觀察者的時鐘，稱為「絕對時間」，所以「同時」是絕對，不會因觀察者之相對運動而異。

但事實上這結論與絕對時間無關，而是因愛因斯坦之假設—光的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值—造成的！如果不是這一假設，則光的傳播速率將與發射體運動狀態有關（古典力學），李教授會認為乙激光是以 c-v 逼近、而甲激光則是以 c+v 追趕以 v 速運動的賴教授（圖一 b），因此兩道激光當然還是同時到達賴教授處！所以李教授和賴教授都同意時鐘是同步的。

所以很明顯地應是愛因斯坦的「同時相對性」改變了人類根深蒂固的「絕對同時性」觀念。如果我們將「發射激光」改成孿生子（雙胞胎）的「生日慶典」，則賴教授將說他們是同時出生的；但是李教授則會因其運動狀態而說甲孿生子先出生（比較老）或乙孿生子先出生。這不正是「雙胞胎悖論」的一個影本嗎？我們在這裡事實上還看到一個很重要的現象：參考坐標（運動方向）的改變，可能顛倒兩個不同事件的「先後次序」！

雙胞胎悖論

假設雙胞胎張四決定乘坐等速高速太空船去旅行。因他決定一去不回，故在旅行前與張三痛哭擁抱，答應在死前一刻依自己的時鐘將年齡紀錄下來，「寄」回地球。

依照經驗，如果兩人的生理機能完全不受外界的影響，則兩人的壽命應該一樣長；但是依照相對論，張三認為張四是在運動，其（生理）時鐘跑得較慢【稱為「時間膨脹」現象】，因此活得較長；同樣地，張四認為張三是在運動，其（生理）時鐘跑得較慢，因此活得較長！誰對呢？智力發育遲緩的筆者認為這是矛盾的，一定有一個人錯，但愛因斯坦說兩人都沒錯，要筆者耐心地等一等……。

歲月如梭，張四的信終於抵達地球了；打開一看，怎麼？他的壽命竟然與張三一樣！筆者一個頭兩個大，顯然是不應該學物理—尤其是相對論！請讀者幫幫忙吧！

假設張四離開10年（他的時間）時突然想家，於是緊急剎車，將太空船轉個方向，緊急加速到原來的速度（為了方便，我們可以假設整個過程是「瞬間」），10 年後終於又回到地球，跟雙胞胎張三重新會合，正要擁抱時卻發現張三已經比他老多了！這正是上面愛因斯坦及雷斯尼克所說的結果。

這看似矛盾的結果事實上是很容易理解的：張四在太空中的「緊急剎車、將太空船轉個方向、緊急加速到原來的速度」破壞了兩人運動的對稱性。我們雖然沒有辦法感受到自己是在靜止狀態或者是在等速運動，但我們卻可以知道自己是在加速。所以張四在太空中的急轉彎，不但破壞了兩人運動的對稱性，也應該是造成他們年齡差異的原因。我們可以從兩方面來看為什麼改變速度（加速）造成年齡差異。

從相對論來看，在去程及回程的等速運動時，張四應該一直認為張三比他年輕。但在前面的火車站實驗中，我們發現李教授的火車行駛方向改變會造成「先後次序」的顛倒，因此張四在太空急（「瞬間」）轉彎的過程中會發現張三（「瞬間」）老了許多（不怕數學讀者，可參見附錄二）：多得超過了剛提到之等速運動時的年輕數，因此張四在相會時將發現張三比他老！從張三的角度來看，他從未加速，因此認為在運動的張四一直比他年輕！不止如此，他依相對論所算出來的年齡差距，也正是張四依他自己之坐標（包括等速與改速）所算出來的！

相信某些讀者要問：「老」是生理現象，張四的坐標轉換怎麼會使張三變老呢？火車站實驗中的「先後次序」顛倒，只是李教授的觀點而已，並沒有實質的物理意義，賴教授不是不同意嗎？1905年的相對論沒有回答這個問題，這答案 10 年後才在廣義相對論中出現（詳見愛因斯坦一生中最幸運的靈感-廣義相對論的助產士）：加速可以視為是一種重力現象，時間在重力場中跑得比較慢【稱為「重力時間膨脹」（gravitational time dilation）】。

所以張四在太空中急速的減速及加速將造成強大的重力場，使得其（生理）時鐘變得非常慢，因此在這期間老得也非常慢（在黑洞附近的人—如果不被吸進去的話—幾乎可以長生不老）！

• 延伸閱讀：跌入黑洞的瞬間，會發生什麼事？——《高手相對論》

長度收縮

特殊相對論還預測一個稱為「長度收縮」（length contraction）的怪現象，謂：一位快跑健將拿著一根棍子沿著棍子方向以速度v飛跑,旁觀人會認為棍子長度變短。這一個怪現象事實上在月台的實驗上已經看到了：要決定兩點之間的距離，我們必須「同時」測兩點的坐標；李教授認為甲的零點比乙的零點早，因此必須「稍等」甲一下才能「同時」記錄甲、乙兩點的坐標，但這一「稍等」，因為甲在往乙方向運動，不是使得測得的距離變短嗎^註？

如果讀者不怕數學，讓我們在這裡用點數學來看「長度收縮」這一怪現象，希望能幫助讀者更進一步了解。

圖二是旁觀者的坐標，顯示在 t=a 時，棍子的前端進入原點 x=0，然後沿軌跡 x=v(t-a) 繼續前進；棍子的後端則在 t=b 時進入原點，然後沿軌跡 x=v(t-b) 繼續前進。

圖二中的 bc 是棍子後端剛進入原點時，旁觀者的「同時」線，即線上每一點的時間都是 t=b（同步化）。測量棍子的長度必須「同時」觀察其前端及後端的位置，因此他測量得到的棍子長度為 be（他不知道那個時刻棍子前端事實上已經到達 d 點了）！bd 是快跑健將的同時線，其 x 坐標 (x_d-x_b) 則是 他測量的棍子長度，比 be 長；所以旁觀者說「棍子變短了」。

如果快跑健將的速度不快，則前、後端軌跡將趨近於成垂直，不同運動狀態的「同時」便趨近於相同，我們便又回到我們所熟知的牛頓世界了！

結論

愛因斯坦1905年的相對論中之「光傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值」假設徹底地毀滅了物理學中「同時」的觀念，因之產生了一些與日常經驗不符的奇怪現象，如「長度收縮」及著名的「雙胞胎悖論」。

希望本文的解釋不但能讓讀者見怪不怪，甚至發現其實不怪；了解相對論裡所有「矛盾」現象都是因為不同觀察者在「自說自話」造成的：例如在棍子的例子裡，靜止觀察者談論的是他（靜止觀察者）在某個時刻測量得到的長度，而移動觀察者談論的則是他自己（移動觀察者）在另一個瞬間測量的長度。

時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言，如果李教授不認為甲地先發射，他沒辦法解釋為什麼賴教授同時看到甲乙兩地發射出來的光（實際經驗到的物理現象）；所以「自說自話」原來是為了保持物理定律的不變性（物理定律是用來解釋我們實際經驗到的物理現象）。這些「自說自話」事實上也不是隨便說的，而是靠「洛倫茲轉換」（Lorentz transformation）連接在一起的。

附錄一：「後見之明」輕鬆地推導「洛倫茲（坐標）轉換」公式

K’ 坐標以 + v 速度相對於 K 坐標運動。如果坐標在 t=0 時重合，加上時、空的均勻性（變數沒有二次方）：

…………………………………………………………(1)

β 為待解的常數。如果在 t=0 時發射一道光，則光的軌跡為 x=ct；代入上式，得

…………………………………………………………(2)

因為 K’ 坐標及 K 坐標的對稱性：

…………………………………………………………(3)

將 (3) 代入 (2) 解得

…………………………………………………………(4)

從 x = β ( x’ + vt’ ) 解 x’ ，然後代入(1)，化簡可得到

…………………………………………………………(5)

公式(1) 、(5), 及(4)就是「洛倫茲（坐標）轉換」公式。長度收縮中之快跑健將棍子的同時線方程式為公式(5) :

附錄二：雙胞胎悖論的數學

假設雙胞胎甲留在地球，雙胞胎乙決定以 v 速度往太空地球 S 旅遊，則甲（x , t）、乙( x’ , t’）兩人的坐標轉換為（為了方便，將光速定為 1，所以 v 應該小於 1 ）：

圖三為甲的坐標圖：太空地球 S 的位置為（ x_s , t_s）。依照上面公式轉換，對乙來說，其坐標為( x’_s , t’_s ）。去程時，乙在 S 時的同時線（該線上每一點的時鐘都「同步」） t₁s 為：

在到達 S 時，乙瞬間改變方向，其同時線瞬間變為 t₂s ：

這兩個方程式的時間零點分別為 t₀ 及 t₃ ，因此不能直接用它們來算去程及回程的同時點 t₁ 及 t₂ ；但因為對稱的關係，我們可以將 t₁s 延長到 x=2x_s 處，用  t’_s=β ( t-vx ) 解得：

所以乙的回程坐標轉換一下子讓甲老了

t₂ – t₁ = v2x_s

……舉個實際的例子：如果 v=0.6, x_s=6，則 β=1.25，所以對甲來說，乙需要 10（=6/0.6） 年才能到達 S ，也需要 10 年才能回來，因此乙回來時，甲應該已經 20 歲了（為了說明方便，假設他們一出生，乙就到太空旅行）。甲的 S 坐標為（6 , 10），透過坐標轉換，乙的 S 坐標為（0 , 8）；所以甲認為乙的時鐘比較慢，只要花 8 年（乙時鐘）的時間就可以到達 S，同樣地也只要花 8 年時間回來，所以乙回來時應該只有 16 歲！

透過乙在 S 時的同時線，可以解得當 x=0 時，t₁=6.4。所以對乙來說，他已經 8 歲了，但甲才 6.4 歲，顯然比他年輕（老得慢）！同樣地，在回程時，乙也應該認為他老了 8 歲，但甲才老了 6.4 歲，所以乙回到老家時，乙應該已經 16 歲，但甲才 12.8 歲，比他年輕！

但前面不是說過甲應該已經 20 歲了嗎？矛盾？不！我們忘了乙坐標轉換時的「時差」 ：7.2 年！將這「時差」加進去，乙也計算出甲的年齡應該是 20 歲（=6.4+7.2+6.4）！

甲、乙兩個人的結論相同，沒有矛盾！愛因斯坦沒有騙我們！

註：

要決定兩點之間的距離，我們必須「同時」測兩點的坐標；同樣地，要決定兩個事件發生的時差（時間），我們必須在「同點」測兩個事件發生的時刻。相對論不但毀滅了物理學中「同時」的觀念，事實上也摧殘了「同點」的觀念：沒有絕對的空間，「同點」因運動者而異。所以我們也應該可以在類似月台的簡單實驗上尋找到「時間膨脹」的現象（請讀者幫幫忙吧）。

延伸閱讀

愛因斯坦一生中最幸運的靈感-廣義相對論的助產士（科學月刊，2021 年 5 月號）。