如果人以光速离开地球一年,再以光速返回,地球上会过去多长时间?

释放双眼,带上耳机,听听看~!
科幻小说《三体》中星环号载着死神程心以极度接近光的速度到达目的地,只用了52小时就跨过了在地球人看来需要287年才能到达距离,而事实上地球真正经过的时间就是287年,这就是速度的魅力!

科幻小说《三体》中星环号载着死神程心以极度接近光的速度到达目的地,只用了52小时就跨过了在地球人看来需要287年才能到达距离,而事实上地球真正经过的时间就是287年,这就是速度的魅力!

俗话说“天上一日,地上一年”,在很多神话故事中,人们把超越地球空间范围的旅行确认为“天上飞行”,在天上快速飞行一段时间之后,再返回人间,世间的时间尺度将与旅行者完全不一致,好像人间的时间被快进了一样。传说里的“天上一日地上一年”与爱因斯坦的理论暗合,例如在《西游记》里的孙悟空只是到天庭做了十几天的“弼马温”,而当回到花果山时才知道这里已经过去了很多年。

在之前很多人认为古人的智商非常低,但是随着人类对宇宙的探索发现,古人流传的很多观点都与现代的探索有着异曲同工之妙。

三体(public domain)科幻小说《三体》(public domain)

目前我们已知的光速是宇宙最快的速度,光速达到了每秒30万公里,而人类目前飞得最快的飞行器也不过几十千米每秒,这还不到光速的百分之一,月球是距离地球最近的星球,如果有一艘光速飞船的话,那么从地球上到月球上所需的时间不足两秒钟,而几十年前人类从地球前往月球可是整整化了十几天的时间。

这个问题涉及到了爱因斯坦的相对论。

首先,相对论禁止人以光速运动,因为人是有静止质量的,加速到光速需要无限能量。如果有人以足够接近光速的速度离开地球,然后再以相同速度返回,那么,地球上的时间会过去多久呢?

在相对论的框架下,时间和空间不再是绝对的存在,它们会随着观测者所在的参照系不同而发生变化。根据狭义相对论的钟慢和尺缩效应,参照系的速度越快,并且越接近光速,时间会变慢到趋于停止流逝,空间会被压缩到趋于零,具体公式如下:

上式中,ΔT和ΔL分别为运动参照系的时间和距离,Δt和Δl分别为相对静止参照系的时间和距离,v为相对速度,c为光速。

如果太空旅行者的运动速度能够达到0.866c,当他在太空中飞行1年返回地球上之时,地球上的时间已经是两年之后。地球人会认为太空旅行者是在前年离开地球,而不是去年。

如果速度更快,时间膨胀效应越显著,例如,当速度为光速的99.9996252%时,经过1年太空飞行的人回到的将会是365年之后的地球,跟他同个时代的人早已不在人世。而如果太空旅行者以这样的速度飞行1天,地球上的时间将会过去1年,这可谓是“天上一天,地上一年”。

爱因斯坦相对论(pixabay)

不过,相对论表明没有绝对时空,也就没有哪个参照系更高级,所有参照系皆平权。既然如此,地球上的人会觉得太空旅行者因为运动而时间变慢,反过来,太空旅行者也会觉得自己是静止的,地球在远离他,所以地球上的时间会变慢。那么,究竟是谁的时间变慢了呢?

事实上,上述问题讨论的时候已经忽略了一个非常关键的东西,那就是加速和减速的过程。太空旅行者乘坐飞船从地球上出发,需要不断加速才能达到亚光速,回到地球上又要进行减速。也就是说,整个过程都是变速运动,而上述的公式只适合惯性参照系,也就是匀速直线运动或者相对静止的情况。经过加速和减速之后,飞船成了非惯性参照系。

由于太空旅行者需要力进行加速和减速,所以太空旅行者会真切地感受到惯性力,真正在加速或者减速运动的是太空旅行者。加速运动不是相对的,地球并没有加速。因此,时间变慢的是太空旅行者,而不是地球。

总之,以光速离开并返回,无论飞船上的宇航员会如何因此而改变其寿命的长短,就统一的时间尺度而言是不会发生变化的。我们不能否认宇航员会因高速运动而产生变化,却将其变化归结为时间尺度的改变。

世界因为人类的变化,逐渐被填写。那些落后的技术已经不足以支撑人们了解这个世界。当人们开始探索宇宙时,这就已经表明了人类的内心。其实人类是始终都在尝试,在逐步的了解这个宇宙,通过去太空观察,到底与地球有何不同,然而人类也许永远也看不到宇宙的真相。

人类也许永远也看不到宇宙的真相(pixabay)

责任编辑:田喆

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8 条回复 A文章作者 M管理员
  1. Bob Berman

    这是一个无法想象的问题

  2. 守夜人天文爱好者

    这个是一颗脑洞问题

  3. Bob Berman

    来看看哦,支持你

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