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光速航行10分钟,地球过了多少年?飞船乘员会长寿吗?

时间:2022-07-06 12:37:33 来源:科普之家 作者:时空通讯 栏目:科幻 阅读:101

为什么说以光速前行几分钟,再回到地球,这时地球就会过去好几十年?

这是一个伪命题,或者说是一个谬论。

因为提出此问题的人根本不知道光速是怎么回事,只是道听途说什么时光倒流、光速飞船中时间过得很慢之类的流言。事实上,如果这个世界真有达到光速移动的飞船,根据爱因斯坦狭义相对论中的速度时间膨胀理论,时间流逝是停滞的,因此这个几分钟从哪里来的呢?这个时间是按照飞船里的时间算,还是按照地球时间算呢?

如果按照地球时间,过了几分钟这艘船回来了,那就是过了几分钟,不存在过了几十年的问题;如果按照飞船里的时间,飞船达到光速时间停滞,这些人根本没有办法知道过了几分钟。如果感到过了几分钟,那飞船就没有达到光速,或者说这几分钟是没有达到光速之前的感受。

何谓速度时间膨胀效应?

爱因斯坦的时间膨胀理论有两种,一种是速度时间膨胀,一种是重力时间膨胀。今天就不说重力时间膨胀效应,只说说速度时间膨胀效应。爱因斯坦狭义相对论认为,在不同速度的参考系中,时间流速是相对的,是不一样的。相对速度较慢的参考系,速度越快的参考系,时间流逝得就越慢。

但这种改变在日常低速系中很难察觉,如在汽车、火车、飞机上就几乎可以忽略不计。在宇宙航行中,速度达到每秒数千米或者数十数百千米,这种时间改变也很小,变化是以微秒毫秒计算。但由于宇宙航行导航精确性要求很高,即便相差微秒毫秒级,也会失之毫厘谬以千里。因此航天器上的时钟都是要进行误差的相对论调整。如GPS导航系统,就要调整卫星的天地时间差,否则导航就会出现重大偏差。

速度时间膨胀的计算公式为: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。

在飞船中时间会减慢多少?

根据上述公式计算,现在每秒只有十几千米的载人飞船,时间膨胀效应很微弱,观测感觉几乎可以忽略不计。当飞船速度达到光速的50%时,也就是每秒约15万千米时,飞船里的时间流逝就比较明显了,比低速系观测者慢约1.1547倍。也就是飞船里的人过了1天24小时,地球人就过去了27.7128小时,飞船里的人过了1年,地球人就过了约1.155年,也就是近422天。

当达到光速的80%时,飞船里的时间流逝会比低速系观测者慢1.66倍;飞船速度达到了99%时,飞船里的时间流逝会比低速系观测者慢7.09倍;飞船速度达到99.99%时,飞船里时间流逝会比低速观测者慢70.7倍。

以后速度在小数点后每提升两个9,时间就会慢10倍,以此类推,以致无穷。光速可以无限接近,时间呈无限变慢的趋势,但无法达到光速,达到了光速则时间停滞,空间为零,这样的世界是不存在的。因此计算时间膨胀效应,只有速度还没有达到光速时才有意义。

在无限接近光速飞船中时间会趋于无限慢。

如果乘坐达到了光速99.999999999999%的飞船,飞船里时间流逝比地球上时间流逝就会慢约707万倍,这样飞船里的人过了1年,地球上就过去了707万年。在这种速度飞船里乘员感觉飞了10分钟回来,地球就过去了134年多了。

乘坐这种飞船前往254万光年距离的仙女座星系,飞船里的人只感觉过去了4个多月就到了,来回只需不到九个月,回到地球早已沧海桑田,地球时间已经过去了500多万年。

速度时间膨胀效应不仅仅是理论猜想,早就已经被无数次试验和实践所证实,现在已经在宇宙航行和卫星定位系统等方面广泛应用。但迄今为止,由于人类航天器飞行速度相比光速还只是蜗牛速度,因此时间膨胀效应并不明显,但探测一些接近光速的粒子衰变,效应就很明显了。

人类飞船很难提升到接近光速。

人类依靠提升飞船移动速度进行星际航行是很困难的,因为速度提升除了时间膨胀效应,还有质增效应。狭义相对论认为,速度越快,动质量越高,需要驱动飞船的能量就越大,速度趋于无限接近光速,所需驱动能量就会趋于无限大。

质增效应的大小适用质速关系公式:M=m/√[1-(v/c)^2],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。

从这个公式我们可以看出,与前面的速度时间膨胀公式是一致的,也就是说,时间膨胀了多少倍,动质量就会增加多少倍。这样如果一个达到光速99.99%的飞船,动质量就会增加70.7倍;而如果速度达到光速的99.999999999999%,动质量就会增加707万倍。

如果这艘飞船静质量为100吨,达到光速的99.99%时,动质量就达到了7070吨;如果达到光速的99.999999999999%,动质量就达到了约7.07亿吨。这时推动飞船前行的动力要多大?刹车要多久?因此星际航行依靠无限提升飞船速度是不可能的,在飞船里实现明显的速度时间膨胀效应也是不够现实的。

未来航天突破速度瓶颈的办法。

未来解决深空航行速度瓶颈,科技界看好的办法有两个:

一个是时空折叠技术,就是所谓的曲速引擎。这种方法可以用神话中的“缩地法”来形容,就是通过重力场,将时空扭曲,就像将一张大纸折叠成折扇状,一只蚂蚁就可以从这边迅速跨越到另一边;

二是利用虫洞穿越。这也是在巨大引力漩涡中,形成了一个连接两个遥远时空的“隧道”,因此又叫时空隧道。这有点像火车钻山洞过隧道,无须绕弯,就能到达山的那边。

这两种方式都不是直接提升飞船本身的速度,而是通过巨大能量将时空距离缩短,通俗地说,前者就是跨越时空沟壑,后者就是走捷径。通过时空扭曲,将遥远光年尺度的路途,变得很近。

这种技术无须飞船达到亚光速,更无需达到光速,但却能够比光速还快到达目的地。这两种方法都不会出现时间膨胀效应,因为飞船并没有加快,只是抄了近道。不过这两种方法至今还只是理论上有可能实现,尚属于科幻范畴。

最后提醒一下:时间膨胀并不会让人长寿。

速度时间膨胀效应,只是在不同速度参考系中比较,才能够显示出来,结果就是低速系时间流逝相对高速系,时间流逝更快而已。注意这里说的是“相对”,如果没有“相对”,在自己系统里,比如在飞船上,不管速度多快(光速以内),乘员感受到到的时间还是一分一秒度过的,因此他们过了一年就是一年,能活80岁还是活80岁。

但就像前面说的,当他们回到地球时,地球相对时间已经过去了很多很多年,这样看起来飞船里的人就似乎长寿了很多,但实际上他们感受到的时间寿命还是和地球人一样的。因为一个人是不是长寿,主要是自己体验是不是比别人活得时间更多,从这个意义上来说,飞船中和地球上的人对时间的体验都是一样的。

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