如果一個人乘坐飛船以接近光速飛行一分鐘後返回地球,他還能見到家人嗎?

2021-02-07 宇宙探索

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這個問題涉及到了《狹義相對論》中的「時間膨脹效應」,屬於非常嚴謹的科學話題,如果要較真的話,那麼問題中給出的條件就過於籠統了,因而答案也不是唯一的。

如果一人駕駛接近光速的飛船飛行一分鐘後回到地球……

有可能他回到地球後,他的家人並無明細異樣,也就是雙方的時間差異並無明顯體現;

有可能他回到地球後,他的家人已經垂垂老矣,也就是時間產生了明顯差異;

甚至還有可能他回到地球時,他的家人早已去世多年了,也就是時間產生了極其巨大的差異。

可能這樣,也可能那樣,這種答案聽起來就像一句廢話,然而事實的確如此。因為「接近光速」可以是99%光速、可以是99.9999%光速、也可以是99.999999……%光速——小數點後面有幾個9,將決定著最終的結果。

關於以某種速度飛行1分鐘,時間會產生多大程度的差異,需要通過時間膨脹公式來進行計算,這非常麻煩,好在對於一些特定的速度值,我們可以直接列出答案。

✎ 99%光速,時間會減緩7倍。

✎ 99.99%光速,時間減緩70倍。

✎ 99.9999%光速,減緩707倍。

✎ 99.999999%光速,7071倍。

從上述數值可以看出,當速度達到99.99%光速時,時間膨脹效應已經變得非常明顯了,時間減緩70倍就意味著在這樣的飛船上呆1年,地球上就已經過去了70年。

而在我們的問題中,飛船上的人只不過呆了一分鐘,那麼時間減緩70倍,地球上也無非只過去了70分鐘罷了。即使我們讓飛船飛得再快一些,達到99.999999%光速,導致時間變慢7071倍,地球上也只過去了7071分鐘,大約5天時間而已。

1個多小時或者1周的差異,並不會給飛船駕駛員帶來什麼直觀感受,對麼?

但我們也不能因此而認為在接近光速的飛船飛行一分鐘,時間不會出現明顯差異。前文已經說過了,「接近光速」本身就是一個很模糊的描述,在99.9999……%中,小數點後面的9是可以無限增多的,這也就意味著時間減緩的倍數也能被無限增大,大到飛船上的1分鐘等於地球上的100年、1000年、乃至上百萬年都是可以的。

倘若突破了小數點後面的無限個9,達到了100%光速呢?

通過時間膨脹公式進行計算,就會發現一旦達到100%光速,時間就靜止了,超過100%光速,時間就開始倒退了——這也是愛因斯坦認為光速既無法達到,更無法超越的理由之一。他在《相對論》中對此事清楚地描述道:「速度c在此的意義也是一種不可達到的極限速度。」

其實每次談及時間膨脹效應,我都會強調這個問題,也就是愛因斯坦自始至終就沒有認為過超光速飛行可以讓時間倒流,這不過是一些科幻作家斷章取義的說法而已。事實上愛因斯坦恰恰是由於公式表明時間會倒退,因此更加認定了光速不可能被超越,因為在他看來,時間倒流是絕對不可能出現的天方夜譚。

以上就是《狹義相對論》中關於時間膨脹效應的理論。由於這個理論過於顛覆人們的通常認知,因而在民間一直爭議不斷,尤其是民科們爭相攻擊的首選理論之一。

速度竟然會導致時間變慢,這聽起來的確不可思議,然而無論聽起來有多顛覆,愛因斯坦的理論無疑是正確的,因為截止到目前為止,這個理論已經有了許多實驗和現實數據的支撐。

譬如美國海軍在1942年進行的實驗,他們將三臺銫原子鐘帶上飛機,環繞地球飛行了一段時間,然後再跟地面的銫原子鐘進行對比,發現經過一段時間的高速飛行後,銫原子鐘的走時的確比地面的鐘慢了一些——這證明了飛機上的時間流速確實比地面上慢。

又譬如GPS衛星上攜帶的銫原子鐘每年都會出現一些走時誤差,並且出現的誤差完全符合相對論的計算結果,這促使工程師不得不置入相關程序使其進行自我修正,否則導航系統的定位結果就會出現十分嚴重的偏差,以至於根本無法正常使用。

你或許也發現了,以上兩個實例均提到了「銫原子鐘」這個光聽名字就感覺無比高大上的計時器,這是由於人類能夠達到的速度實在太慢了,時間膨脹效應顯得十分微小,在普通的鐘表上根本就無法體現出來,只有精確度極高的銫原子鐘才能察覺到這些差異。

所以從某種意義上來說,時間膨脹效應與我們的生活並不相干,至少在目前這樣的「低速年代」,它與我們的生活並不相干——即使某個人7*24小時呆在客機上飛行一輩子,時間可能也只會比普通人慢上一兩秒,這種微不足道的差異對我們而言實在沒什麼意義。

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