古人云天上一天地上一年,根據相對論需要達到多少速度才能實現?

2020-10-18 艾伯史密斯

天上一天地上一年,是中國古代神話中流傳下來的說法;在相對論中,我們乘坐飛船速度達到光速的99.999625%,就能實現飛船內過一天,地球上過了一年。


愛因斯坦在1905年提出狹義相對論,指出時間的流逝快慢與參考系的運動速度有關,還指出光速是宇宙中實體物質運動的最快速度,其中不同參考系的時間變換關係為:

根據相對論的預言,我們以地球表面作為參考系的話,當我們乘坐飛船相對於地面高速飛行時,飛船內的時間流逝速度變慢。

在1971年,科學家把兩臺精密銫原子鐘放在兩架飛機上,兩架飛機分別向東和向西飛行,最終與地面的一個銫原子鐘對比,發現兩架飛機上的時間變慢了,變慢的數據與相對論預言吻合,誤差為4%,從而驗證了相對論的時間膨脹效應,這一效應後來應用在全球GPS定位系統當中,如果GPS不對相對論效應進行修正,那麼每天都會產生數十公裡的累積定位誤差。

在劉慈欣的小說《三體》當中,程心和艾AA稱作星環號以光速飛往286.5光年的DX3906,飛船內只過了52小時,其中光速飛行時飛船內的時間是停止的,52小時主要經歷在飛船的亞光速加速和亞光速減速階段。

根據時間膨脹公式,假設飛船內過一天,地球上是一年,那麼可以計算出飛船的速度需要達到:

v=0.99999625c

以人類目前的科技,還遠遠無法把宏觀物體加速到這麼高的速度,但對於微觀粒子來說是可以實現的,比如在大型強子對撞機中,我們可以把單個質子加速到光速的99.99999%,此時質子的動質量將是靜止質量的700多倍,質荷比大大增加,利用對撞機加速也將變得困難。

除了運動速度改變時間流逝速度外,廣義相對論還指出,在強引力場中,時間流逝速度也將慢,比如電影《星際穿越》當中,男女主角登陸卡岡圖雅黑洞軌道上的米勒行星,期間過了3個多小時,外界卻過了23年,這並不是想像,而是相對論效應的結果。

在宇宙中,有一種極端天體中子星,表面引力是地球的數千億倍,根據相對論的預言,中子星表面的時間流逝速度也會明顯變慢,但是任何宏觀物質落入中子星,都會被其強大的引力撕碎,連原子形態也不復存在。


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