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时间膨胀导致钟慢尺缩效应,30岁宇航员返回地球会看到什么?

这得看这位宇航员是在一艘多快速度的飞船中往返了。有人问:如果有位宇航员30岁,乘坐光速飞船离开地球,回来时地球上时间已经过了150年,这位宇航员的年龄是多少?

我给出的简单回答就是:他还是30岁。

这个原理是基于高速系中的时间膨胀效应,表现为钟慢尺缩效应。

钟慢效应:

爱因斯坦狭义相对论告诉我们,不同参考系的时间流逝速度是不一样的,是相对的,这就是相对的时空观。与地球相对静止的观测者相比,速度越快的飞船里,乘员们经历的时间流逝就越慢,这就是时间膨胀效应,其遵循的公式为:t'=t/√[1-(v/c)?]。

在这个公式里,t'是速度时间膨胀效应值;t是低速系观测者第一个时钟时间记录;v是第二个时钟相对第一个时钟的移动速度;c为光速。

根据这个公式计算,在低速系,也就是我们日常生活的速度中,如汽车、火车、飞机,甚至现在的宇宙飞船中,时间流逝虽然比静止观测者要慢一些,但这种慢却微乎其微,相对人类寿命完全可以忽略不计。但当飞船速度达到0.5倍光速时,这种效应就很明确地显示出来。

从上面图片中我们可以看到,在达到光速的0.5倍参考系活动的人员,时间流逝会比相对静止观测者(比如地球上的人们)慢1.15倍;而到达光速的0.9999倍时,时间流速就会慢70倍,也就是说在这样速度飞船中的宇航员过了1年,地球上的人们就过了70年。

在速度越无限接近光速,每在零点后面增加两个9,时间流逝就会以1个数量级(10倍)递减,这样到了光速的0.99999999999999倍时,时间膨胀效应就会慢707万倍,再在后面增加两个9,就是慢7070万倍。也就是说,在这样飞船中的宇航员旅行1年回来,地球已经过去7070万年,早已沧海桑田了。

尺缩效应

速度越快,空间距离越缩短,这就叫尺缩效应。狭义相对论中计算尺缩效应的公式为:L=L'√[1-(v/c)^2]。这里,L代表低速系观测者看到的运动长度,L’为静止长度,v为速度,c为光速。

根据这个公式,我们可以计算出当物体运动达到光速的0.5倍时,空间距离会缩短到原来的0.866倍;到达关税的0.99倍时,空间距离会缩短至静止观测系的0.141倍;当速度达到光速的0.99999999999999倍时,空间会缩短至静止观测系的0.000000141倍。

以上两个效应加起来就叫钟慢尺缩效应。如果这位宇航员以0.99999999999999倍光速行驶,感受的时间就放慢了707万倍,空间距离也缩短了707万倍,这样地球观测者认为这艘飞船来回走了150年,差不多飞了150光年的路途,但这位宇航员只感觉飞了0.00002光年多点,所花费的时间也只有0.00002年多点,也就是只要600多秒钟就回来了,只花了十来分钟。

这样这位30岁的宇航员就还是30岁,而地球已经过去了150年,他的父母和妻子儿女早就不在了。真是子欲养亲不待啊。

理论上光速航行时间停止空间为零

我们再来计算一下以这种速度到达仙女座星系来回的时间和尺度。仙女座距离我们有254万光年,如果以光速的0.99999999999999来回,空间距离在乘员看来就只有约0.72光年,来回所花费的时间约需要0.72年,而地球观测者看到的却是飞船走了508万年。

这位30岁的宇航员回来后,一年都没过,依然还是30岁,而地球上别说是父母子女,人类还存不存在都难以预料了,早已是沧海桑田了。

如果速度再提升,进一步无限接近光速,钟慢尺缩效应还会以指数级变化,达到光速时间流动停止,空间为零。因此在达到光速的飞船中,乘员们根本无法感受到空间距离尺度,也感受不到时间流逝,地球上150年过去了,飞船回来,宇航员们完全没有航行过的感觉,一分一秒也没有过去,因此30岁的宇航员就完全还是停留在30岁的哪年哪月哪时哪分哪秒。

当然以上纯理论计算,完全忽略了飞船提速和减速过程,这个过程在不同速度系中,时间流逝和空间尺缩效应是不一样的,这得具体分析和计算,这里就不具体说了。

质速关系限定了任何有静质量物体都无法达到光速。

但根据爱因斯坦狭义相对论,任何有静止质量的物体都是无法达到光速的,因为随着速度的增加,动量和所需能量也会增加,越趋近光速,动量和能量越大,而到达光速后,动量和能量就会无穷大。无穷是什么意思,就是我们宇宙质能也不是无穷的,因此即便推动一个质子达到光速,整个宇宙的质能也是不够的。

这就是一个悖论,光速就成为我们世界速度的天花板,无法达到和超越。这就是爱因斯坦狭义相对论中的质速关系,速度受到质速关系限制,这种关系又叫质增效应。质速关系公式表达为:M=m/√[1-(v/c)^2]。

这个公式看起来与前面的速度时间膨胀钟慢尺缩公式相仿,但内容是不一样的。这里的M为物质的运动质量,m为物质的静质量,v为运动速度,c为光速。

因此根据这个公式我们可以看出,随着速度的增大,物体动量增大的幅度与时间膨胀幅度一致,当1吨重的飞船速度达到光速的0.99999999999999倍时,其动量达到707万吨,这要多大能量才能推动这艘飞船到达这个速度,而且还要提速的话又需要多大能量?

随着速度再往上提升,动量和动能就会趋于无限大。

尺缩钟慢效应和质增效应不仅仅是理论,而是真实存在。

有人可能会说,所谓高速系中的钟慢尺缩效应以及质增效应只是老爱胡诌的理论,在现实中是不可能出现的。说这种话的人肯定不是科学界的人,甚至连基本的现代物理学常识都没有。因为经过100多年的观测发现和实验论证,这些理论早就被证实颠扑不破了。

在欧洲大型强子计算机中,科学家们将自制速度加速到光速的0.999999991倍时,其所需能量和达到的动量精准的符合质速关系公式预期;通过对宇宙高能射线监测观测和计算,粒子在不同速度中的寿命和衰变速度,与尺缩钟慢公式完全吻合。

在全球卫星定位系统中,必须按照相对论效应,也就是钟慢尺缩效应调整在天上卫星时钟和地面时钟的差距,否则定位导航就会失之毫厘谬以千里,我们的车载导航就会把我们导到不知什么地方去了。

现在爱因斯坦相对论和量子力学早就成为现代物理学的两块最重要基石,其中的光速极限和光速不变又是这两块基石的基础,如果这些理论被推翻,整个物理学大厦就要推倒重建。

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