光速離開地球一分鐘再返回,會如何?光:地球已沒,宇宙已死

2020-12-21 科學美少男

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

一分鐘後回來,地球早已不在了,宇宙也演化終點,或許連原子結構都會被暗能量瓦解,一片死寂,但前提是「上帝」能從其他「平行宇宙」給飛船調來充足的能量,可以短時間內讓飛船無限接近於光速,讓時間無限接近於靜止。

這個能量會超過我們這個宇宙能量的總和,但即使是這樣飛船達到光速是不可能的,因為只有信息與能量才能達到光速。下面我們來說說怎麼回事:

一切都是相對的,只有光

當我們談及速度時,首先要設定一個參照物。例如:當參照物是電線桿子時,汽車是有速度的,如果參照物是汽車上的駕駛員,那麼汽車的速度則為零,因為無論汽車有多快,他始終都在汽車上,稱之為相對靜止。平常我們談及的時速都是汽車相對於地面,或者靜止於地面上的物體,因此一切速度都可以稱之為相對速度。

圖:邁克遜莫雷實驗,發現光速不變

不過,上個世紀科學家發現了一個奇怪的現象。邁克遜莫雷實驗發現光的運動並不符合相對性原理的,光的運動速度在任何觀察者(參照物)看來都是恆定不變的。舉個思維例子加深一下理解:

a,b倆人各自騎著單車,慢悠悠地運動著,他倆相對靜止。光從遠處飛來,在他倆看來,光速度都是C。可當一輛無限接近於光速(v)的飛船從上空超過ab,飛船上的太空人發現光的速度也是C,這個發現意味著光的運動是絕對的,光速是絕對速度,無論在誰看來都是C。

狹義相對論

愛因斯坦基於光速不變,推導出狹義相對論,他發現除了速度是相對的,質量、時間、尺寸都是相對的。

圖:質量與速度的關係,物體的(靜止)質量不為零就無法達到光速(分母不能為零),而且物體速度越接近於光速,相對質量越大,意味著使它加速所需能量越大

例如:你在我面前站著,質量是100斤,但是你要是以極快的速度跑起來相對質量有可能是120斤。質量的增加源於運動時產生的動能,動能大小由速度所決定,這和光速有千絲萬縷的關係。

圖:愛因斯坦與質能方程

基於質量與速度的關係,愛因斯坦有了一項驚奇地發現,質量與能量是等價的,它們關係是光速的平方,而光速又是恆定的,換句話說質量就是能量。21世紀量子力學發現萬物的構成源於基礎粒子間的相互作用,作用的大小決定了物質的質量,對質量與能量的本質進行了解釋,作用大小與質量的關係可以用質能方程進行計算。因此,質能方程可以通過原子彈的質量虧損計算出爆炸產生的能量。

圖:速度時間膨脹曲線,運動速度越快,時間膨脹越厲害,當速度無限接近於光速,在觀察者看來,運動物體的時間幾乎凝固

狹義相對論中愛因斯坦用動鍾變慢效應來描述時間與速度的關係:速度會使時間流速發生變化,時間不再是牛頓時期的光陰似箭,而是有慢,有快,取決於速度,相對速度決定了相對時間。當飛船無限接近於光速飛離地球時,飛船上的時間將無限接近於靜止。

如果地球過去150億年,飛船上時間過去了多久?(計算)

我們假設150億年後地球會消失,把150億年的地球時間(t')代入速度時間關係公式(C為光速)

當飛船速度為0.99倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=21億年。

當飛船速度為0.9999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=6.7億年。

當飛船速度為0.999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.21億年。

當飛船速度為0.9999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.067億年。

當飛船速度為0.99999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.021億年。

當飛船速度為0.999999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.0067億年。

可見當飛船接近於光速時,輕微的加速,會帶來巨大的時間變化,當飛船的速度小數點後面有無限個9時,膨脹效應無限大,飛船上的時間將無限慢,宇宙毀滅對於飛船來說只是一個「響指」的事。

相關焦點

  • 時間膨脹的感受,光速飛船乘員與地球觀測者時間差異有多大?
    有人問:如果以光速離開地面一分鐘,馬上返回,到達地面後,地球上過了多久?諸如此類問題多如牛毛,過去時空通訊也多有闡述,但既然感興趣者眾多,就在說說。這個問題本身概念模糊,不知所云。以光速離開1分鐘,是光速飛船裡的人感受1分鐘,還是外面的觀測者時間1分鐘呢?這個馬上返回又是什麼意思呢?是行駛了1分鐘突然原速返回,前後一共用了2分鐘,還是有其他什麼意思呢?
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  • 如果一個人光速飛行10秒鐘後返回地球,他還能見到自己的家人嗎?
    這樣的問題是非常有意思的,因為答案打破了常規思維方式,如果一個人光速飛行10秒鐘,再返回地球,那麼他將永遠都見不到自己的家人,地球上會發生滄海桑田的變化,今天我們就把這個問題徹底地搞清楚。結論都很清楚,那麼是如何推導出來的哪?時間最表觀的理解就是鐘錶秒針每移動一隔就是1秒鐘,而這個一秒鐘的長度可以有更準確的定義。在物理學中科學家設想了一種「光子鍾」,從它的原理可以知道這個「光子鍾」是非常精確的,首先尋找兩塊反射鏡平行放置,兩塊鏡的距離是30cm,那麼按照真空中光速30萬公裡每秒來計算,光子在兩塊發射鏡之間往復運動5億次就是1秒鐘。
  • 如果超越光速,時間真的會發生倒流嗎?
    如果地球和X行星的距離一直不變,飛船隻需要20年就能抵達目的地,但由於X行星正在1/10光速的速度遠離地球,飛船需要25年才能追上它。抵達時,飛船與地球的距離將變為12.5光年。鑑於光的傳播需要時間,地球上的你需要再過12.5年才能看到飛船抵達X行星。也就是說,飛船離開地球37.5年後,你才能在天文望遠鏡裡看到飛船降落在X行星的情況。
  • 多條「出賣地球」的信息正以光速前進,最遠的已抵達46光年之外
    」的信息正以光速前進,最遠的已抵達46光年之外。這可以認為是最早的「出賣地球」的信息,由於無線電信號在宇宙中是以光速前進,因此該信號也是傳播距離最遠的,目前已抵達46光年之外。 並立即以光速向地球趕來,也需要2.5萬年才可以抵達地球。
  • 地球坐標可能在1936年就已暴露,費米悖論:宇宙沒那麼簡單
    科學技術發展後,人類很快實現了飛天夢,走出了地球,開始探索宇宙。宇宙中有許多未知的奧秘,其中最有趣的是探索外星文明的存在。有人可能會認為,人類探索和尋找地外文明的最早行為是1977年發射的旅行者一號,它攜帶著人類的信息和地球的坐標,航行到宇宙的廣袤深處。雖然我們還沒有通過旅行者一號發現外星文明,但有些人認為地球的坐標可能已經通過旅行者一號暴露了。
  • 如果一顆隕石以光速撞擊地球,會發生什麼呢?
    如果一顆隕石以光速撞擊地球,你知道會發生什麼?實際上在這個浩瀚的宇宙中,還沒有任何實物粒子可以達到光速,因此,我們只需將這顆隕石逐漸加速到接近光速即可,想像一下,現在有一顆直徑達30米的龐大隕石,正以光速的1%,也就是每秒3000公裡的速度向地球飛去,那麼接下來會發生什麼呢?
  • 我們常說可觀測宇宙這個概念,那麼地球是可觀測宇宙的中心嗎?
    從古代藉助肉眼觀察星空,到近代發明望遠鏡看到更遠處的天體,再到通過光譜紅移知道了宇宙膨脹的事實,最終我們得出了可觀測宇宙的概念,從這個過程我們可以看出,「可觀測」這個詞是以人類的視角出發的,我們看不到的地方或者接收不到信息的地方,則不在可觀測的範圍之內。而我們人類的觀點,基本上都是以地球為承載中心展開的,因此從這個角度出發,可觀測宇宙的中心自然而然的是地球無疑。
  • 宇宙中的時間過得與地球一樣快嗎?
    自牛頓時代以來的很長一段時間裡,物理學家認為宇宙中所有地方的時間都是以相同的速率在流逝,時間到處都是絕對同步致的。然而,愛因斯坦的相對論顛覆了時間的絕對性。關於此,還需要從光速說起。那麼,光速與時間究竟有什麼關聯呢?
  • 各大星系都在遠離地球,宇宙的中心在哪裡?地球是宇宙的中心嗎
    星系不斷遠離地球,這代表著我們的宇宙正在不斷地膨脹。當我們換一個角度來看星系正在遠離地球這件事,是不是可以得出地球就是宇宙的中心這一結論呢?因為地球是宇宙的中心,所以無論從地球的什麼方向去觀測,所有的星系都在遠離地球而去。
  • 為什麼光速是宇宙最快速度?超光速會有什麼後果?
    光速不但非常快,而且還被認為是宇宙的速度上限。那麼,為什麼說光速是宇宙中最快的速度呢?這一切都要從光速不變原理說起。麥克斯韋發現了一個很特殊的光速公式:上述公式右側的兩個參數都是恆定的常數,這意味著光速也是恆定的大小。這個公式沒有表現出參照系的優先關係,光速的大小與光源的運動方式沒有任何關係,光速在所有參照系中都是完全相等的常數。
  • 一起來看看地球在宇宙中的真實運動軌跡是怎樣的
    在地球上,我們感覺地球表面相當平穩。然而,地球在宇宙中的運動非常快,甚至從某種意義上來說,已經超光速了,而且運動方式非常複雜。 那麼,地球在宇宙中的運動方式是怎樣的呢?地球的運動速度到底有多快?
  • 地球為什麼剛好位於可觀測宇宙的正中心?
    地球位於可觀測宇宙正中心這件事,其實非常複雜,涉及到我們人類是如何觀測宇宙的。地球的位置地球在宇宙中的位置,其實隨著人類的觀測手段提升而不斷發生變化。在古希臘時期,當時的希臘先賢們認為地球是宇宙的中心,所有的天體都圍繞地球轉動。
  • 將採集月球土壤後再返回地球
    中國國家航天局(CNSA)表示,「嫦娥5號」已在登陸在月表風暴洋平原(OceanusProcellarum),將開始鑽探月球表面土壤,收集後並帶回。這是中國太空探測史上,首次進行的地外樣品收集任務,同時也將會是人類自1976年之後,首次再獲得月球土壤與巖石標本,是相當重要的科學成就。
  • 宇宙有多大?如果把宇宙比喻成一片沙漠,地球只是一粒沙子
    宇宙有多大?它有鏡頭在望遠鏡看不到的星體之外還有什麼,我們所在的位置地球當你把地球的大小與整個宇宙相比較大你知道地區有多渺小嗎?儘管距離遙遠,在月球上已經有12個人類留下了他們的足跡,如果用光速傳播的話,我們只需要2.5秒就可以到達月球,接著是火星,火星距離地球的平均距離是兩億兩千五百萬公裡,這意味著,如果有人想要登陸火星,所有航行的距離是抵達月球的986倍,如何用光速傳播,則需要花上20分鐘,將距離拉遠點,我們就會發現,旅行者一號在所有飛行器中,目前飛得最遠就是旅行者一號,它帶著發給系外生命的信息
  • 從地球射出的直線,有多大機會到達宇宙邊緣?
    宇宙中的一切物質都是三維的體,我們常說的點、直線和平面都是數學上理想化的概念。你可能會說「不對呀!光就是走的直線」。確實,在理想狀態下,當我們打開雷射筆,它發出的光是筆直的。但同時愛因斯坦也說了,一切有質量的物體會扭曲它周圍的時空,而光在這扭曲的時空中穿行,它行進的路線也必然是彎曲的。
  • 地球到月球多少光年?
    根據地球和月球的位置不同,地球飛往月球的時間會有所不同。地球與月球最近的距離是363300千米,最遠是405500千米。如果按照新視野號的速度來計算的話,從地球直線飛往太陽需要82天左右,但是實際的時間會比整個還更長,這是因為太空飛行器在太空的速度是會有變化的,是需要進行轉向、調整和提速的;最為重要的是太空飛行器飛往目的地並不是以直線距離進行飛行的,因為會受到引力的影響,所以其實都是有固定的軌道的。
  • 時間和光速有什麼關係?為什麼越接近光速,時間越慢?
    從地球上來看,宇宙飛船確實是在25年後飛抵織女星。但從宇宙飛船上來看,飛到織女星只是一瞬間,不需要時間。如果宇宙飛船再掉頭返回地球,從地球上來看,這又要25年的時間;從飛船上來看,這只是一瞬間。因此,當宇宙飛船重新回到地球上時,地球上的人已經變老50歲,而飛船上的人還是當初那個樣子。
  • 如果太陽突然消失,地球是一下飛出去,還是8分鐘後再飛出去?
    但是當時的學者們其實正在發起「拯救現象」的運動,他們會思考如何讓理論和現實擬合,亞裡士多的解釋起碼在他的時代已經夠用了。我們也知道,後來牛頓橫空出世,提出了萬有引力定律。具體來說,我們把萬有引力定律理解成萬物都有彼此吸引的力。牛頓發現萬有引力和物體的質量成正比,和它們距離的平方成反比。通過萬有引力定律,牛頓統一了天上和地上的物理學現象。
  • 地球引力能改變光的傳播嗎?
    按普通人的理解,光似乎不會被地心引力或其他引力影響、牽引。但實際上光是可以被地球引力影響的,只是人眼無法觀測到這種影響而已!首先,光的速度很快,30萬千米每秒,遠超過地球引力的逃逸速度11.2千米每秒,所以地球引力是無法留住光的!