30歲的太空人坐光速飛船飛200年,回來後是多少歲?

2020-12-04 老粥科普

要想回答這個問題,首先我們需要知道什麼是光速。

你可能說:這還不簡單,光速嘛,就是光的速度,每秒鐘30萬公裡。

實際上,根據愛因斯坦的狹義相對論,光速是指「所有無質量粒子和相關場的變化在真空中傳播的速度」。一般而言,光速是一個物理常數,它的精確值為 299,792,458米/秒。

我們需要注意兩點:

一、所有無質量粒子和場才能達到光速。

按照愛因斯坦的理論,任何有質量的粒子都是無法達到光速的,到目前為止,已經知道的無質量粒子只有光子和膠子,其它全是有質量的粒子。膠子又被限制在強子中,從來沒有人觀測到自由的膠子,所以到目前為止宇宙中能達到光速的粒子只有光子。而其它的粒子如果要達到光速,它的質量都趨向於無窮大,所以狹義相對論認為有質量的粒子不可能達到光速。

二、光速是指光在真空中傳播的速度。

我們經常說空間站是在真空中飛行,太陽系的行星之間是真空地帶,太陽系與其它星系之間是真空等等。宇宙中有沒有真空?嚴格地說並沒有。以前我們說地球大氣層的厚度有1000公裡,從這個角度來看,在400公裡高度軌道上飛行的國際空間站實際還處在大氣層內。而最新的觀測結果更是表明地球大氣層的實際厚度甚至要超過60萬公裡,也就是說連月球軌道都還在地球大氣層的包裹之中。

(月球的周圍並非真空,它在地球的大氣中飛行)

同樣的,無論是太陽系還是宇宙間看似一無所有的虛空之中,其實是充斥著各種各樣的物質,你很難真正找到理想的真空。

了解到上述事實,我們便可以明白:「乘坐光速飛船」這個理想,至少按照愛因斯坦狹義相對論的原理,是不可能實現的了。

(想像中的光速飛行)

如果你說愛因斯坦狹義相對論不一定是對的,那麼等於你否認了狹義相對論中「時間膨脹」的理論。

這個「時間膨脹」理論認為:以光速行進的無質量粒子不受時間的影響

「時間膨脹」具體的表述是這樣的:對於慣性參考系中的觀察者,將測量相對於他移動的時鐘,以比在其參考系中靜止的時鐘更慢

這種情況有時被稱為特殊相對論時間膨脹。相對速度越快,彼此之間的時間膨脹越大,隨著接近光速(299,792,458 m / s),時間達到零。這導致以光速行進的無質量粒子不受時間的影響。

(對於藍色時鐘的本地慣性參照系,運動中的紅色時鐘被認為是更慢的)

請注意,這裡強調的是「以光速行進的無質量粒子不受時間的影響」。無論是人類的宇宙飛船或是人類本身都不是無質量粒子,所以一方面人類不能達到光速,即便是人類能以接近光速的速度飛行,狹義相對論關於時間膨脹的表述也許適用於無質量的粒子,但它是否適用於人類或其它有質量的物體,這還是個未知數。因為相對論不認為有質量的粒子可以達到光速。

現在,我們將相對論拋到一邊,假設一個太空人真的呆在一艘光速飛行的宇宙飛船之中。他的時間真的能停止嗎?

如果時間停止,是否意味著他的心臟停止了跳動、思維停止了運轉、一切生命活動中止、甚至組成他肌體的所有粒子都被停止的時間「凍結」了呢?

如果是,那代表他已經死了,並且他處於絕對零度的狀態。而物理學認為宇宙中並不存在溫度為絕對零度的物體,也就是說太空人和他的飛船都不存在。

如果不是,那麼這位太空人一定會跟在地球上一樣在不斷衰老,200年後他要是還能幸運地回到地球走下飛船,他的年齡會是230歲。

你覺得他能活到230歲嗎?

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    光的速度為每秒30萬公裡,一光年為光行走一年所需要的距離,按照這樣換算下來,一光年大約等於9460億公裡。因此,銀河系的10萬光年直徑對我們來說是如此的巨大。如果以地球上的觀察者來說,光從銀河系中心到達邊緣需要5萬年的時間,這遠遠大於人類的壽命。因為光是宇宙中最快的速度,所以人類永遠也無法飛出銀河系。
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