您当前的位置: 首页 >  博客资讯

以光速离开地球,一年后以光速返回,那时地球上过去了多久?

若一名宇航员以光速离开地球,在一年之后又以光速返回,根据常理,当宇航员返回地球时,地球上应该已经过去了两年时光。

不过,如果你知道相对论,那么你就不会这么想了。如果从相对论的角度出发,那么那时地球上已经过去了多长时间呢?

光速每秒30万千米,是宇宙中最快的速度。根据相对论,有质量的物体被禁止超越光速,那是因为要将它们加速到光速,需要无穷的能量。所以说,宇航员和航天器理论上来说只能以接近光速的速度运动。

而时间是相对的,在不同参考系下就会得出不同的时间,所以飞船上的时间和地球上的时间是不同的。时间具有单向性,永远向前流逝。而传统观念认为,在时空中每个位置上时间的流逝速度都是相同的,不过高精度实验已经证明,这种观念是错的。所以,要想弄明白这个问题,就必须抛掉绝对时空观。

根据狭义相对论,如果参考系的运动速度越快,那么该参考系下的时间流逝速度就越慢。当物体的运动速度达到光速时,时间就已经停止流逝了。这种现象被叫做时间膨胀效应,或者叫钟慢效应。当参考系的运动速度越趋近光速时,这种效应也就越显著。简单来说,就是运动的钟比静止的钟走得慢。

以接近光速飞行的宇宙飞船,与地球这两个参考系的运动速度明显不同。宇宙飞船上的时间流逝速度很慢,那么当宇航员返回地球时,对于宇航员来说,它只经历了两年时间,而对于地球上的人来说,却已经过去了好几年,甚至上百年。这真的是“天上一日,地下一年”!

若宇航员全程都以99%的光速运动,两年之后,他返回地球后会发现,地球上的人们已经过了14年。如果他有一个双胞胎兄弟,那么他的兄弟此时会比他大12岁。

如果以99.99%倍的光速运动,两年之后,两者之间的时间差将达到139.4年,真要发生这种情况,恐怕他返回地球时就看不到他的双胞胎兄弟了。

不过,在实际情况中,宇宙飞船不可能一起步就以99%的光速运动,因为人体承受不了这么大的加速度,所以说宇航员必须要经历一个加速和减速的过程。这意味着,宇航员经历两年时间返回地球时,由时间膨胀效应造成的时间差并没有前面说的那么大。

利用这种现象,我们可以进行时间旅行,只要速度足够快,仅需很短的时间便能穿越到遥远的未来,不过这是一次单趟的旅行,没有后悔药。

此外,在相对论中,所有参考系都是平权的,而运动也是相对的,宇宙飞船远离地球,也可以看作地球远离宇宙飞船。那么,从各自的角度来看,都是自身的时间变慢了。那究竟是谁的时间真正变慢了?

其实,之所以出现这个矛盾,是因为我们把它们都当做了惯性参考系。由于宇宙飞船在离开和返回地球的过程中经历了加速和减速的过程,那么宇宙飞船就属于非惯性参考系。对于非惯性参考系就必须用广义相对论进行处理。

而在广义相对论中,引力也会导致时间膨胀,引力场越强的地方,时间的流逝速度也就越慢。

宇宙飞船加速过程中的惯性力等同于引力,因此必须考虑引力导致的时间膨胀效应。综合考量下,实际上就是宇宙飞船的时间变慢了,而不是地球。

即使你觉得这很荒谬,不过事实就是如此。无论是在高能粒子加速器中,还是在GPS卫星上,这一理论已经过长期且严格的检验。 全球定位系统依赖精确的时间,由于存在时间膨胀,所以卫星上原子钟的时间每隔一段时间就必须要校准,要不然,每12个小时,定位结果便会有7米左右的偏差。