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 。
【光速|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?】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)2] , 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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