乘0.99倍光速飛船一年後回來,地球咋樣了,會穿越到未…


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乘0.99倍光速飛船一年後回來,地球咋樣了,會穿越到未來嗎?

這是一個關於時間膨脹的話題。關於這個話題過去說過多次,既然很多人還有興趣,就簡單通俗地再說說。不過光速的99%速度航行,時間膨脹效應並不大,可能令這位想看到奇蹟的朋友失望。

愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論,是現代物理學的重要基礎,它與崛起的量子力學理論共同搭建起了現代物理學的框架。在狹義相對論中,愛因斯坦論證了在不同坐標係時間的相對性和距離概念的相對性,從而得出時間膨脹理論。

  • 低速係時間膨脹不明顯

速度時間膨脹理論是指在運動速度越高的坐標系中,時間流速會越慢,距離概念會縮短,這就是所謂的尺縮鐘慢效應。但這種效應在一般低速系統並不明顯,如我們日常生活以為的“高速”飛機甚至火箭中,雖然也會發生時間膨脹效應,但很微小。

愛因斯坦狹義相對論中給出的速度時間膨脹公式為:t’=t/√[1-(v/c)?],式中,t’是速度時間膨脹效應值;t是低速系觀測者第一個時鐘時間記錄;v是第二個時鐘相對第一個時鐘的移動速度;c為光速。

根據這個公式,我們可以計算出,在迄今人類交通工具創造的速度下,時間膨脹效應是極小的。即便乘坐每秒7km的宇宙飛船,時間膨脹也是極小。根據上述公式計算,乘坐這種速度飛船的人們,只比地球坐標係時間慢3.89*10^-17,就是10億億分之3.89。

我們按天文學採用的儒略年計算,1年為365.25天,為31557600秒,這樣乘坐在每秒7km宇宙飛船中的人們,1年就比地球人時間慢了約0.00000000123秒,也就是十億分之1.23秒。如果一位宇航員在這種速度飛船中度過100年,所經歷的時間也只比地球人減慢了1千萬分之1.23秒。

所以理論上說宇航員會比生活在地球上的人長壽,不是指乘坐這種速度飛船的宇航員,而是指乘坐接近光速飛船的宇航員。如果在這種低速中,宇航員不但不會長壽,這點速度連重力減小導致的時間變快都抵消不了,而且太空失重狀態和比地表大很多的輻射,還會導致宇航員們的身體健康受到損害。

  • 接近光速的高速系統,時間膨脹才明顯

如果乘坐在0.99倍光速的飛船裡,乘員的時間膨脹效應就比較明顯了。根據上述公式計算,在0.99倍光速中,時間膨脹效應會達到7倍,如果這位宇航員在宇宙飛船中過了1年,地球人就過了7年。如果飛船是按地球時間1年回來,那飛船中的人就只過了1/7年,因此短期看起來並不大。

因此,這位宇航員也算“穿越”到了未來,只不過過了幾年而已。但這位宇航員如果按飛船時鐘旅行了10年回來,地球人就已經過了70年了,那時留在地球的兒子就宇航員離開時的爹還要老了。

速度時間膨脹效應是越接近光速,膨脹效應會呈指數級提升。速度如果達到光速的0.9999倍,時間膨脹效應就達到70倍;達到光速的0.999999倍,則膨脹效應達到707倍。以此類推,每在後面增加兩個9,時間膨脹效應就會提升10倍。

因此,如果乘坐一艘達到光速0.99999999999999倍的飛船,前往距我們254萬光年的仙女座星系飛一個來回,飛船裡的人們只感覺過了8個多月,地球人已經過去了500萬年,這時的地球早就物是人非滄海桑田了。如果那時候地球還有人類存在,回來的宇航員就成了祖宗的祖先了。

這是因為在這個速度下,時間膨脹達到了707萬倍,也就是飛船上的人過了1天,地球人就過去了707萬天。但需要說明的是,宇航員們的壽命並沒有延長,他們的感受是過了一天還是一天,和在地球上過的時間沒什麼兩樣。

  • 結論:

时间膨胀效应接近光速时变化才会更显著。达到光速0.4~0.5倍时,时间膨胀效应就有了1.1倍左右;当达到光速0.9倍时,时间膨胀效应达到约2.3倍;达到0.99倍时,时间膨胀效应达到了70倍。小数点后面每增加两个9,时间膨胀效应增加10倍,以致无穷。

這只是理論值,真實的宇宙航行中,有提速減速過程,還有引力影響因素。根據廣義相對論,引力越大的參考系,時間過得越慢,反之越快。而且根據質速關係的質增效應,隨著速度提升,所需驅動的能量和飛船的動質量越大,這種質增效應與時間膨脹效應成正比。

因此,要讓飛船達到光速,所需能量和飛船動量將達到無窮大,宇宙只能也不是無窮大,因此這是悖論。這就是有質量物體不可能達到光速,更不可能超越光速的道理。即便讓飛船接近光速,也是一個極難以攻克的課題。

人類要突破宇宙航行速度瓶頸,很可能要另闢蹊徑,就是通過曲速引擎或蟲洞穿越的方式進行,這兩種方式理論上可以達到超越光速很多倍到達目的地。但這兩種方式不是直接提升飛船速度,而是通過“縮地法”(折疊空間)和“抄近道”(時空隧道)的方法“跨越”到目的地,因此不違背光速藩籬原則,也不會出現時間膨脹效應。

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