【腦洞系列】如果有人以光速飛到宇宙中,1天后回到地球,他還能見到家人嗎?

薛定諤的貓 2021/08/17 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

雖然人類的科技水準是有限的,但我們可以基於想象力來進行現實無法實現的思想實驗。包括牛頓、愛因斯坦、薛定諤在內的很多物理學家都有提出過著名的思想實驗,例如,牛頓大炮、愛因斯坦的追光思想實驗、薛定諤的貓。

愛因斯坦曾在16歲時想象,如果追上一束光,他會看到什麼現象?這個思想實驗為他後來創立狹義相對論奠定了基礎。本文所討論的話題源自於愛因斯坦的狹義相對論,如果一個人以光速飛到宇宙中,1天后回到地球上,他還能見到家人嗎?地球上的時間究竟過了多久呢?

如果從生活經驗出發,這個問題的答案似乎很簡單,在宇宙飛1天返回,地球上當然是過去1天。但事實上,我們被所謂的常識蒙蔽了雙眼,相對論告訴我們事情沒有那麼簡單。

根據相對論,時間在宇宙各處並不是以相同的速率在流逝,宇宙中並沒有一個絕對的標準時鐘。如果比較兩個速度不同的參照系時間,就會發現時間流逝有快有慢,時間在速度較快的參照系中放慢了。

舉例來說,行駛的高鐵上的時間要比地面上過得慢。時間具體慢多少,取決於高鐵的運動速度v,狹義相對論給出了計算公式:

上式中,Δt為地面上的時間,ΔT為高鐵上的時間,c為真空中的光速。

由於光速每秒將近30萬公里,這個速度遠高於高鐵,使得時間膨脹效應小到可以忽略不計。假設高鐵的運動速度為300公里/小時,當一個人乘坐該高鐵運動一天之後,他所經歷的時間比地面上的人慢了大約3.3納秒,也就是10億分之3.3秒。

然而,當速度接近光速時,v/c將會接近於1,這會使得時間膨脹效應變得非常明顯。另外需要注意的是,上式也意味著物體的運動速度不可能達到光速,不然分母就會失去意義。雖然物體的速度達不到光速,但我們可以討論一下速度接近光速會怎樣?

由於相對論否認了絕對時間的概念,所以每當談及時間的時候,需要明確時間對應於哪個參照系。假設這個1天的時間是太空船參照系的時間,當一個人乘坐速度為99%光速的太空船飛行1天再返回,那麼,此時地球上的時間將會過去7天。對於地球上的人來說,太空船是在一周前離開,但飛船上的人卻會認為出發時間是昨天。

如果飛船以99.94443%光速飛行1天,地球上將會過去1個月的時間。如果飛船以99.9996245%光速飛行1天,地球上將會過去1年的時間,飛船上的人過了1天,地球上的人卻已經長了一歲。隨著太空船的速度越來越接近光速,時間流逝速率的差異將會快速變大,飛船時間過1天,可以相當於地球上過100年,或者一萬年,甚至更長的時間。

因此,乘坐太空船的人回到地球上之後,能不能再見到他的家人,完全取決於飛船的飛行速度。如果飛船的速度夠快,地球早已是滄海桑田。事實上,通過這樣的方法,飛船能夠飛到地球的未來。

值得注意的是,無論太空船飛得多快,飛船上的人都不會感受到自己的時間變慢了,過一天就是一天。但如果地球上有人通過天文望遠鏡來觀測飛船,他會發現飛船上的人行動十分緩慢。時間的快慢只有經過比較才會知道區別,自己無法直接感受到時間變得快了還是慢了。

這裡還有一個問題,都說運動是相對的,飛船相對於地球快速運動,也可以看成地球相對於飛船快速運動,那麼,這是否意味著地球上的時間變慢了呢?

其實不然。飛船從離開地球到返回地球,需要經過加速和減速,這種能夠真實感受到加速度的運動才是絕對的,所以時間變慢的是飛船,而非地球。

在日常生活中,兩個速度進行疊加合成後會發生變化。但相對論表明,光速是個例外。假如月球上發射出一束光,無論是飛船上的觀測者,還是地球上的觀測者,他們都會測出這束光的速度為相等的光速。

愛因斯坦認為,既然光速是不變的,就會導致其他原本被認為是絕對的物理量發生變化,而這正是時間(另外還有空間)。無論是光速不變,還是時間膨脹,這些現象都已經被實驗所證實。

人造衛星在太空中快速運動,那裡的時間流逝速率與地面上是不一致的。如果我們想要通過人造衛星進行精確導航和定位,就需要消除相對論的時間膨脹效應,讓天地時間保持完全同步,這正是我們每天所要經歷的事情。

 

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