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以光速離開地球,一年后以光速返回,那時地球上過

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-09-07 22:21:34    作者:高雨凡    瀏覽次數:67
導讀

若一名宇航員以光速離開地球,在一年之后又以光速返回,根據常理,當宇航員返回地球時,地球上應該已經過去了兩年時光。不過,如果你知道相對論,那么你就不會這么想了。如果從相對論的角度出發,那么那時地球上已經

若一名宇航員以光速離開地球,在一年之后又以光速返回,根據常理,當宇航員返回地球時,地球上應該已經過去了兩年時光。


不過,如果你知道相對論,那么你就不會這么想了。如果從相對論的角度出發,那么那時地球上已經過去了多長時間呢?



光速每秒30萬千米,是宇宙中最快的速度。根據相對論,有質量的物體被禁止超越光速,那是因為要將它們加速到光速,需要無窮的能量。所以說,宇航員和航天器理論上來說只能以接近光速的速度運動。


而時間是相對的,在不同參考系下就會得出不同的時間,所以飛船上的時間和地球上的時間是不同的。時間具有單向性,永遠向前流逝。而傳統觀念認為,在時空中每個位置上時間的流逝速度都是相同的,不過高精度實驗已經證明,這種觀念是錯的。所以,要想弄明白這個問題,就必須拋掉絕對時空觀。



根據狹義相對論,如果參考系的運動速度越快,那么該參考系下的時間流逝速度就越慢。當物體的運動速度達到光速時,時間就已經停止流逝了。這種現象被叫做時間膨脹效應,或者叫鐘慢效應。當參考系的運動速度越趨近光速時,這種效應也就越顯著。簡單來說,就是運動的鐘比靜止的鐘走得慢。


以接近光速飛行的宇宙飛船,與地球這兩個參考系的運動速度明顯不同。宇宙飛船上的時間流逝速度很慢,那么當宇航員返回地球時,對于宇航員來說,它只經歷了兩年時間,而對于地球上的人來說,卻已經過去了好幾年,甚至上百年。這真的是“天上一日,地下一年”!


若宇航員全程都以99%的光速運動,兩年之后,他返回地球后會發現,地球上的人們已經過了14年。如果他有一個雙胞胎兄弟,那么他的兄弟此時會比他大12歲。



如果以99.99%倍的光速運動,兩年之后,兩者之間的時間差將達到139.4年,真要發生這種情況,恐怕他返回地球時就看不到他的雙胞胎兄弟了。


不過,在實際情況中,宇宙飛船不可能一起步就以99%的光速運動,因為人體承受不了這么大的加速度,所以說宇航員必須要經歷一個加速和減速的過程。這意味著,宇航員經歷兩年時間返回地球時,由時間膨脹效應造成的時間差并沒有前面說的那么大。




利用這種現象,我們可以進行時間旅行,只要速度足夠快,僅需很短的時間便能穿越到遙遠的未來,不過這是一次單趟的旅行,沒有后悔藥。


此外,在相對論中,所有參考系都是平權的,而運動也是相對的,宇宙飛船遠離地球,也可以看作地球遠離宇宙飛船。那么,從各自的角度來看,都是自身的時間變慢了。那究竟是誰的時間真正變慢了?


其實,之所以出現這個矛盾,是因為我們把它們都當做了慣性參考系。由于宇宙飛船在離開和返回地球的過程中經歷了加速和減速的過程,那么宇宙飛船就屬于非慣性參考系。對于非慣性參考系就必須用廣義相對論進行處理。


而在廣義相對論中,引力也會導致時間膨脹,引力場越強的地方,時間的流逝速度也就越慢。



宇宙飛船加速過程中的慣性力等同于引力,因此必須考慮引力導致的時間膨脹效應。綜合考量下,實際上就是宇宙飛船的時間變慢了,而不是地球。


即使你覺得這很荒謬,不過事實就是如此。無論是在高能粒子加速器中,還是在GPS衛星上,這一理論已經過長期且嚴格的檢驗。 全球定位系統依賴精確的時間,由于存在時間膨脹,所以衛星上原子鐘的時間每隔一段時間就必須要校準,要不然,每12個小時,定位結果便會有7米左右的偏差。

 
(文/高雨凡)
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