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如果有人以光速飞到宇宙中,1天后回到地球,他还能见到家人吗?

虽然人类的科技水平是有限的,但我们可以基于想象力来进行现实无法实现的思想实验。包括牛顿、爱因斯坦、薛定谔在内的很多物理学家都有提出过著名的思想实验,例如,牛顿大炮、爱因斯坦的追光思想实验、薛定谔的猫。

爱因斯坦曾在16岁时想象,如果追上一束光,他会看到什么现象?这个思想实验为他后来创立狭义相对论奠定了基础。本文所讨论的话题源自于爱因斯坦的狭义相对论,如果一个人以光速飞到宇宙中,1天后回到地球上,他还能见家人吗?地球上的时间究竟过了多久呢?

如果从生活经验出发,这个问题的答案似乎很简单,在宇宙飞1天返回,地球上当然是过去1天。但事实上,我们被所谓的常识蒙蔽了双眼,相对论告诉我们事情没有那么简单。

根据相对论,时间在宇宙各处并不是以相同的速率在流逝,宇宙中并没有一个绝对的标准时钟。如果比较两个速度不同的参照系时间,就会发现时间流逝有快有慢,时间在速度较快的参照系中放慢了。

举例来说,行驶的高铁上的时间要比地面上过得慢。时间具体慢多少,取决于高铁的运动速度v,狭义相对论给出了计算公式:

上式中,Δt为地面上的时间,ΔT为高铁上的时间,c为真空中的光速。

由于光速每秒将近30万公里,这个速度远高于高铁,使得时间膨胀效应小到可以忽略不计。假设高铁的运动速度为300公里/小时,当一个人乘坐该高铁运动一天之后,他所经历的时间比地面上的人慢了大约3.3纳秒,也就是10亿分之3.3秒。

然而,当速度接近光速时,v/c将会接近于1,这会使得时间膨胀效应变得非常明显。另外需要注意的是,上式也意味着物体的运动速度不可能达到光速,不然分母就会失去意义。虽然物体的速度达不到光速,但我们可以讨论一下速度接近光速会怎样?

由于相对论否认了绝对时间的概念,所以每当谈及时间的时候,需要明确时间对应于哪个参照系。假设这个1天的时间是宇宙飞船参照系的时间,当一个人乘坐速度为99%光速的宇宙飞船飞行1天再返回,那么,此时地球上的时间将会过去7天。对于地球上的人来说,宇宙飞船是在一周前离开,但飞船上的人却会认为出发时间是昨天。

如果飞船以99.94443%光速飞行1天,地球上将会过去1个月的时间。如果飞船以99.9996245%光速飞行1天,地球上将会过去1年的时间,飞船上的人过了1天,地球上的人却已经长了一岁。随着宇宙飞船的速度越来越接近光速,时间流逝速率的差异将会快速变大,飞船时间过1天,可以相当于地球上过100年,或者一万年,甚至更长的时间。

因此,乘坐宇宙飞船的人回到地球上之后,能不能再见到他的家人,完全取决于飞船的飞行速度。如果飞船的速度够快,地球早已是沧海桑田。事实上,通过这样的方法,飞船能够飞到地球的未来。

值得注意的是,无论宇宙飞船飞得多快,飞船上的人都不会感受到自己的时间变慢了,过一天就是一天。但如果地球上有人通过天文望远镜来观测飞船,他会发现飞船上的人行动十分缓慢。时间的快慢只有经过比较才会知道区别,自己无法直接感受到时间变得快了还是慢了。

这里还有一个问题,都说运动是相对的,飞船相对于地球快速运动,也可以看成地球相对于飞船快速运动,那么,这是否意味着地球上的时间变慢了呢?

其实不然。飞船从离开地球到返回地球,需要经过加速和减速,这种能够真实感受到加速度的运动才是绝对的,所以时间变慢的是飞船,而非地球。

在日常生活中,两个速度进行叠加合成后会发生变化。但相对论表明,光速是个例外。假如月球上发射出一束光,无论是飞船上的观测者,还是地球上的观测者,他们都会测出这束光的速度为相等的光速。

爱因斯坦认为,既然光速是不变的,就会导致其他原本被认为是绝对的物理量发生变化,而这正是时间(另外还有空间)。无论是光速不变,还是时间膨胀,这些现象都已经被实验所证实。

人造卫星在太空中快速运动,那里的时间流逝速率与地面上是不一致的。如果我们想要通过人造卫星进行精确导航和定位,就需要消除相对论的时间膨胀效应,让天地时间保持完全同步,这正是我们每天所要经历的事情。