光年是光走一年的距離,但一光年距離光真需走一年嗎?

2020-12-03 宇宙新思維

先說答案:一光年的距離,光的確不需要走一年。因為光不需要任何時間,別說一光年距離,就是整個可觀測宇宙大小的距離(930億光年),光經過也不需要一點時間。光是時空脫離的界限,因此不再需要時間。

物體只有在還沒有達到光速的時候,其時間流逝才會有變慢的問題,這是狹義相對論的時間膨脹效應。如果物質達到光速,物質就成為光了。而光是沒有時間的,所以物質在光速下不是時間流逝會變慢,而是壓根沒有時間。但問題是靜質量不為0的物質是不可能達到光速的。這由狹義相對論的質量效應公式可以看出:

質量效應公式

(其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,Ⅴ為物體的運動速度,c為光速),當Vc時,分母0,則m+∞,也就是說當物體運動速度趨向於光速時,物體的質量會趨向於無窮大。如果宇宙是有限的,那全宇宙的能量都不夠推動這個物體的。當然這個結論是基於光速不變原理得出的,即光速對於任何參考系都是個常數。光速是個常數在理論上是來自於麥克斯韋的聯立方程組的推導,在實踐上和觀測上也屢屢被證實。比如在大型對撞機上,無論對粒子用多大能量加速,粒子總也達不到光速。這就是光速限制原理。

大型強子對撞機

好了,扯的遠了,說這麼多,是因為題主在描述中說到人在光速飛船過一年和地球過一年不同的問題。通過上面所說可知,飛船是不可能達到光速的,還是那句話:如果飛船達到光速了,人在飛船裡面也是光速了,人和飛船都成為光了,他們不再有時間,因此是沒有什麼「一年」的問題。不要認為飛船達到光速了,而人相對光速是靜止的,所以人該怎麼過就怎麼過,照常有時間,照常吃喝過一年。

錯了,不是這樣的

人如果在光速飛船裡,人和飛船一起脫離時空,沒有什麼相對絕對這一套了。愛因斯坦常說人如果達到光速,光對於人是什麼樣?連他也想知道,可見這個問題超過相對論的適用範圍。就像「光對於人是光速,根據相對性,那人對於光是不是也是光速?」這個問題一樣,在這裡相對性是不管用的,因為這已經超越我們這個宇宙時空了。

這個問題到這兒應該是回答完了:一方面回答了不可能達到光速,不存在光速飛船。另一方面回答了假如真達到了會是怎樣的問題――不需要走一年。但人不會滿足獵奇心,那下面我們就引申一下,來談談亞光速的情況,這是現實能達到且更令人神往的。

亞光速飛船

人只有在亞光速飛船才有時間,才有過了一年的問題,但在亞光速飛船裡的一年和在地球上過一年,對於人的體驗感覺是一樣長的。不同的是時間的相對性和同時的相對性:在不同參考系對同一觀察對像時間的觀察結果是不一樣的。比如說,人乘坐亞光速飛船到半人馬座的阿爾法恆星系,這個三星系統其中的比鄰星距離我們地球只有4光年多一點。飛船以極為接近光的速度(光速是不可能達到的)飛往阿爾法星。在地球上的觀察者看來,地球和阿爾法星是靜止的,而飛船用了4年多的時間走了4光年的距離到了阿爾法星;但在近光速飛船的太空人看來,地球和阿爾法星都是運動的,地球在離飛船而去,阿爾法星向飛船而來,到阿爾發星的距離沒有4光年,用了不到4年的時間到了阿爾發星。這一切都是真實的,這個飛船越接近光速,飛船用的時間越短,遠遠低於4年的時間就到達阿爾法星了(由於本文不涉及空間距離,在這裡就不列舉尺縮效應公式,至於時間膨脹公式將在下面列出)。

狹義相對論的鐘慢尺縮

這裡面有一個問題就是,地球人儘管測得距離阿爾法星是4光年,飛船也飛了4年多,但這是地球時間,地球觀察者觀察到飛船上的鐘表時間變慢了(只要能看到),飛船上的太空人動作非常慢,飛船長度也變短了。而另一方面太空人認為自己的時間並沒有變慢,相反,他觀察到地球的時間變慢了,地球的觀察者在運動方向上變短了。太空人認為自己用了不到4年的時間到了阿爾法星,那地球上的時間會過的更少。也就是說兩個不同參考系的觀察者相互的觀察結果是相對的,地面的觀察者看到亞光速飛船的人的時間流逝的很慢,同樣飛船裡的人觀察到地面的時間流逝的也很慢。這就是「時間佯謬」,也叫雙生子佯謬。這是怎麼回事兒?這不和上面說的矛盾了嗎?不,當然只要這個亞光速飛船一直勻速直線運動下去,不再返回地球,那飛船和地面的「一年」是「一樣」的。

雙生子

但如果飛船又通過減速加速返回地球,那飛船的時間就真的比地球的時間膨脹多了,過的慢多了。這是因為通過加速和減速,飛船進入了不同的參考系而真正改變了時間。飛船上過「一年」地球上真的過了N個年。雙生子中當太空人的哥哥回到地球真要比弟弟年輕的多了。這個N隨飛船速度越趨近光速而 越大。具體有個公式:

時間效應公式

其中t′為地球時間,t為飛船時間,V為飛船速度,c是光速。由式中可以看出,Vc時,分母0,t′+∞,也就是說飛船越接光速,飛船上即使過很少的時間,地球也會過相當長的時間,下面簡單說幾個速度的情況:當t=1年,V=0.99c時,t′≈7.089年。當V=0.999999c時,t′≈707年。……有興趣的可以繼續算。這個公式反過來用也行,用t′來計算t,就是用地球時間t′來計算飛船t的時間,就能算出上面乘近光速飛船用了多少時間到阿爾法星。

不過不管飛船和地球差多少年,不同參考系觀察者對時間的感覺(意識時間)是一樣的,而對時間流逝速度(真正的物質時間)是感覺不到的。

相關焦點

  • 光年:光在真空中傳播一年的距離,那麼一光年就需要光走一年?
    說到光年,很多人應該是比較有一定的概念,之前在物理學上也曾經接觸過,他在物理學上面的解釋是:光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間的距離,那麼這一光年的距離就需要光走一年的時間嗎?宇宙之中的物體永遠是不可能達到光速,如果是有物質達到了光速,實際上他已經是成為了光,而在成為了光之後,就沒有了時間這樣的一個概念的。
  • 一光年是多遠!就是光走一年的距離,那麼請問多久是一年?
    這看上去是似乎並不是一個複雜的問題,因為很多朋友甚至可以脫口而出一光年大概是94607億千米,但其實真正要確定一光年的距離並不容易,我們現在能直接計算是因為各種度量衡都已經確定了,曾經它面臨如下問題。二、多久才算一年?多久一年?不就是365天麼,日子過糊塗了吧,一年都搞不清楚了?但問題時為什麼有時一年是366天?
  • 光年是光走1年的距離,是距離單位。1光年的距離,光真的需要走1年嗎
    這由狹義相對論的質量效應公式可以看出: 一光年的距離究竟有多遠呢?簡單來計算一下,光在真空沿直線傳播的速度為30萬公裡每秒,那麼一年的時間,光可以走9.64萬億公裡。這是一個什麼概念?日地距離為1.5億公裡,光從太陽表面傳播到地球上需要的時間是500秒,地球和月球的距離為38萬公裡,那麼光從地球傳播到月球上需要的時間就是1.3秒。因為宇宙中的絕大部分空間都是真空,所以光速就是真空光速。
  • 光年是光一年走的距離,難道多少光年外就是多少年前發生的事?
    光年確實是光一年走過的距離,但是不能籠統的說「多少光年外就是多少年前發生的事」。  這是因為宇宙在膨脹,而且宇宙膨脹的的速度取決於觀測者和被觀測者之間的距離。  雖然光年是一個長度單位,但其中也包含了時間信息,這與光年的定義有關。一光年就是指光在一年中走過的距離(真空),以此類推,10光年就是指光在10年中走過的距離。
  • 光走一年是一光年嗎?不要低估光子的速度,也許它只需要一瞬間
    文/仗劍走天涯光走一年是一光年嗎?不要低估光子的速度,也許它只需要一瞬間光速是現在人類歷史上的最快的一種速度,就算人類傾盡整個地球的力量,也不能夠將光速實現。甚至有不少的科學家們認為,如果人類能夠實現光速,就可能會擁有穿越時空的能力。
  • 光年是距離單位,但光真的需要一年才能飛行一光年嗎?
    比如說光年,光年是距離並不是時間,指的是光在真空中行走一年的距離,這裡有一個重要的前提,那就是在我們人類眼裡,也就是說以地球為參照物光飛行一年的距離(其他參照物也可以,只要不是光),也可以認為是純粹的數學計算,這樣就不用想得太複雜,科學需要的不是複雜而是簡單!
  • 光在一年內究竟能走多遠?
    本文來自:百度知道日報宇宙空間浩瀚,為了衡量天體的距離,天文學家常用光在一年中行進的距離(光年)作為一種天文單位。之所以使用光作為參考,是因為光在真空中的傳播速度保持恆定,並且根據相對論,光速是宇宙速度的上限。那麼,光在一年中能走多遠?或者說一光年有多遠?
  • 一光年的距離有多遠?要是用人力走,要多久才能走完?
    世界上現有的距離單位有米,百米,公裡,百公裡,萬公裡等。這些距離的單位用於在地球上的計算是非常適用的。但是在宇宙之中就不行了。因為宇宙非常大,如果要用米或者是億米來說行星之間的距離的話,那這書寫將會很長很長。對於在形容在書面表達上非常不方便。
  • 人能用一輩子走一光年的距離嗎?如果不行,那需要幾輩子呢?
    世界上現有的距離單位有米、百米、公裡、百公裡、萬公裡等。這些距離的單位非常適合在地球上計算。但不是在宇宙中。因為宇宙非常大,如果以米或數十億米來衡量行星之間的距離,文字將會非常長。用文字描述很不方便。所以人類科學家發明了一個「光年」作為距離的單位。
  • 光走一年是一光年嗎?光子:你低估我的速度了,只需一瞬間
    光年只是在我們看來的,對於光子來說宇宙並非三維空間,它的行進路線並非是一條線,而是一個點,所以它的世界相當於少一維,為二維宇宙!下面我們從人的視角一點點過渡到光子視角,從而感受一下光子悲劇的一生!24小時,地球公轉一圈是我們的一年四季。
  • 一光年是時間單位?不!它代表的距離人類用盡一生都走不完!
    引言:一釐米很短,一米很近,一千米也不遠。但是,若將單位改為「光年」,一光年遠不遠?不少人或許以為「光年」是時間單位,事實上,它是距離單位,遠得我們難以想像,個人無法在有生之年走完。你知道一光年是多遠嗎?
  • 一光年到底有多長,光每秒30萬公裡,一年能飛出太陽系嗎?
    而光年登場了。根據愛因斯坦相對論光的速度是我們宇宙的極限速度,任何有質量的物體都不可能超過光速,光一秒所走的路程是2億99792458米,約每秒30萬千米。而光年即在一儒略年的時間裡,光子自由空間以及距離任何引力場或磁場無限遠的地方所走的距離,一個儒略年是365.25日,這就是光年的定義。一光年等於9460730472580800米。
  • 人類大腦難以理解的距離:光跑一年是多遠?
    光年,就是指的光在真空中沿直線走一年的距離,為9,460,730,472,580,800米,也就是9,460,730,472,580.8公裡。光年是個長度單位,通常應用于衡量宇宙中較遠天體之間的距離。比如銀河系直徑是16萬光年,我們太陽系距離銀河系中心2.6萬光年。
  • 一光年究竟有多遠,人能夠用一輩子走一光年嗎?答案竟是如此
    因為宇宙非常大,如果以米或數十億米來衡量行星之間的距離,文字將會非常長。用文字描述很不方便。所以人類科學家發明了一個「光年」作為距離的單位。光年是指光在一年或幾年內傳播的距離。例如,光年距離就是光在一年中傳播的距離。這盞燈一年能走多遠?科學家普遍認為光速是每秒30萬公裡。一年的時間大約是31556925.9747秒,所以光在一年中行進的距離是9.46萬億公裡。
  • 一光年距離有多遠? 人類步行不休息走2.25億年
    光年,長度單位,指的是光在真空中行走的距離。一光年指的是光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間的距離。
  • 一光年的距離究竟有多遠?若人不藉助任何工具,走多久才走完?
    於是人們就發明了一個測量宇宙距離的單位「光年」。那麼一光年的距離究竟有多遠呢?若是人類不藉助任何代步工具,那麼究竟要走多久才能走完一光年呢?下面我們一起來看看吧。所謂光年就是指光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間所經過的距離,據科學統計大約為960,730,472,580,800米。這對於人類來說簡直就是一個天文數字。要是用人力走,人要走到猴年馬月呢?想人力走完1光年這種想法似乎就是一種空想,是完全不可能實現的。
  • 一光年距離到底有多遠?如果坐飛機,這旅途時間光看數字就眼暈!
    但是,如果你問他「光年」是什麼單位,90%以上的孩子都會說那是個時間單位。的確,「光年」後面這個「年」字,很容易讓人誤認為是時間單位。不過隨著年齡的增長,知識面的不斷增加。當年的小學生們都知道「光年」其實就是一個長度單位,只不過衡量的尺度過大,所以只限於天文學領域,用於度量宇宙中的距離才會用到它。眾所周知,光的傳播速度快到每秒約30萬千米,所以才會用來度量宇宙中的速度。
  • 如何測量天體間的距離?光是如何定義的?一光年到底有多遠?
    前言:如何測量天體間的距離?光是如何定義的?一光年到底有多遠?宇宙對我們地球上每個居民來說是廣闊無窮的,渺小的人類處於茫茫的宇宙之中如一粒米般的大小,以宇宙中的各種天體作為參照物來看人類完全是微不足道的。
  • 當今世界最快的飛機飛行一光年距離需要多少年?
    所謂光年,也就是光走一年的距離,而光速是目前宇宙中最快的速度,大概30萬千米每秒,光從太陽到地球,走完一個天文單位的距離,也就是1.5億千米,大概只需要8分鐘多一點。太陽光那麼,光走一年有多少千米呢?我們可以計算一下,一年365天,每天24小時,每小時60分鐘,每分鐘60秒,而光一秒鐘走30萬千米,所有這些相乘,得到的結果是9460800000000千米,也就是94608億千米。
  • 天文學上為麼要用光年來計算距離
    如果是計算兩個城市之間的距離,米這單位就顯得太小了。這時我們就得用一個比較大的單位公裡了,例如北京到上海,火車走的全程是1,469公裡。天文學上有的地方也用公裡作單位,例如用來說明星球的直徑大小的如月亮的直徑是3,476公裡,用來作距離單位的,如月亮離地球是384,400公裡。