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乘0.99倍光速飞船一年后回来,地球咋样了,会穿越到未来吗?

这是一个关于时间膨胀的话题。关于这个话题过去说过多次,既然很多人还有兴趣,就简单通俗地再说说。不过光速的99%速度航行,时间膨胀效应并不大,可能令这位想看到奇迹的朋友失望。

爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论,是现代物理学的重要基础,它与崛起的量子力学理论共同搭建起了现代物理学的框架。在狭义相对论中,爱因斯坦论证了在不同坐标系时间的相对性和距离概念的相对性,从而得出时间膨胀理论。

低速系时间膨胀不明显

速度时间膨胀理论是指在运动速度越高的坐标系中,时间流速会越慢,距离概念会缩短,这就是所谓的尺缩钟慢效应。但这种效应在一般低速系统并不明显,如我们日常生活以为的“高速”飞机甚至火箭中,虽然也会发生时间膨胀效应,但很微小。

爱因斯坦狭义相对论中给出的速度时间膨胀公式为:t‘=t/√[1-(v/c)?],式中,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,我们可以计算出,在迄今人类交通工具创造的速度下,时间膨胀效应是极小的。即便乘坐每秒7km的宇宙飞船,时间膨胀也是极小。根据上述公式计算,乘坐这种速度飞船的人们,只比地球坐标系时间慢3.89*10^-17,就是10亿亿分之3.89。

我们按天文学采用的儒略年计算,1年为365.25天,为31557600秒,这样乘坐在每秒7km宇宙飞船中的人们,1年就比地球人时间慢了约0.00000000123秒,也就是十亿分之1.23秒。如果一位宇航员在这种速度飞船中度过100年,所经历的时间也只比地球人减慢了1千万分之1.23秒。

所以理论上说宇航员会比生活在地球上的人长寿,不是指乘坐这种速度飞船的宇航员,而是指乘坐接近光速飞船的宇航员。如果在这种低速中,宇航员不但不会长寿,这点速度连重力减小导致的时间变快都抵消不了,而且太空失重状态和比地表大很多的辐射,还会导致宇航员们的身体健康受到损害。

接近光速的高速系统,时间膨胀才明显

如果乘坐在0.99倍光速的飞船里,乘员的时间膨胀效应就比较明显了。根据上述公式计算,在0.99倍光速中,时间膨胀效应会达到7倍,如果这位宇航员在宇宙飞船中过了1年,地球人就过了7年。如果飞船是按地球时间1年回来,那飞船中的人就只过了1/7年,因此短期看起来并不大。

因此,这位宇航员也算“穿越”到了未来,只不过过了几年而已。但这位宇航员如果按飞船时钟旅行了10年回来,地球人就已经过了70年了,那时留在地球的儿子就宇航员离开时的爹还要老了。

速度时间膨胀效应是越接近光速,膨胀效应会呈指数级提升。速度如果达到光速的0.9999倍,时间膨胀效应就达到70倍;达到光速的0.999999倍,则膨胀效应达到707倍。以此类推,每在后面增加两个9,时间膨胀效应就会提升10倍。

因此,如果乘坐一艘达到光速0.99999999999999倍的飞船,前往距我们254万光年的仙女座星系飞一个来回,飞船里的人们只感觉过了8个多月,地球人已经过去了500万年,这时的地球早就物是人非沧海桑田了。如果那时候地球还有人类存在,回来的宇航员就成了祖宗的祖先了。

这是因为在这个速度下,时间膨胀达到了707万倍,也就是飞船上的人过了1天,地球人就过去了707万天。但需要说明的是,宇航员们的寿命并没有延长,他们的感受是过了一天还是一天,和在地球上过的时间没什么两样。

结论:

时间膨胀效应接近光速时变化才会更显著。达到光速0.4~0.5倍时,时间膨胀效应就有了1.1倍左右;当达到光速0.9倍时,时间膨胀效应达到约2.3倍;达到0.99倍时,时间膨胀效应达到了70倍。小数点后面每增加两个9,时间膨胀效应增加10倍,以致无穷。

这只是理论值,真实的宇宙航行中,有提速减速过程,还有引力影响因素。根据广义相对论,引力越大的参考系,时间过得越慢,反之越快。而且根据质速关系的质增效应,随着速度提升,所需驱动的能量和飞船的动质量越大,这种质增效应与时间膨胀效应成正比。

因此,要让飞船达到光速,所需能量和飞船动量将达到无穷大,宇宙只能也不是无穷大,因此这是悖论。这就是有质量物体不可能达到光速,更不可能超越光速的道理。即便让飞船接近光速,也是一个极难以攻克的课题。

人类要突破宇宙航行速度瓶颈,很可能要另辟蹊径,就是通过曲速引擎或虫洞穿越的方式进行,这两种方式理论上可以达到超越光速很多倍到达目的地。但这两种方式不是直接提升飞船速度,而是通过“缩地法”(折叠空间)和“抄近道”(时空隧道)的方法“跨越”到目的地,因此不违背光速藩篱原则,也不会出现时间膨胀效应。

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