一个人乘坐接近光速的飞船飞行1分钟后回到地球,还能见到家人吗

  • 小编 发布于 2019-11-04 19:02:50
  • 栏目:科技
  • 来源:三土和阿柳
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我相信如果没有时间膨胀效应的话,就不会存在这个问题,按照平时的理解,光速飞行一分钟后回来是不会有时间尺度上变化的,但是考虑到时间膨胀效应后,光速飞行的飞行员与地面的观察者的时间就有点不一样了,具体有什么不一样?先大概了解一下什么是时间膨胀。

什么是时间膨胀?


一个人乘坐接近光速的飞船飞行1分钟后回到地球,还能见到家人吗


在两个不同参考系中的两个相同时钟的时间变化速率不同,但是这种描述只在观测者的参考系上才成立,在本参考系中的时间都是统一速度前进。假如我们能测量一只高速向我们运动的时钟,就会发现它会比一只与我们相对静止的时钟要慢一些,而当我们的速度与这只高速运动的时钟一同速度运动,就会发现两者时间流逝恢复到同样状态。

什么引起了时间膨胀效应?

引起时间膨胀的原因可以分为两类。

  1. 速度引起的时间膨胀,狭义相对论中解释为:所有相对于一个惯性系统的时钟都走得较慢。这种时间膨胀效应是相互的,从任意一个时钟观测,都是对方走慢了(假定双方相对速度均匀,并且没有加速)。也就是速度越快,时间膨胀效应更剧烈。
一个人乘坐接近光速的飞船飞行1分钟后回到地球,还能见到家人吗


  1. 引力引起的时间膨胀,广义相对论中解释为:在引力场中拥有较低势能的时钟走得较慢。这种时间膨胀效应不是相互的,在引力场中势能高的观测者观察到势能低的时钟慢了,势能低的观测者观察到势能高的时钟快了。换句话说就是受到的引力越大时间流逝越慢。
一个人乘坐接近光速的飞船飞行1分钟后回到地球,还能见到家人吗

明白了时间膨胀的原因,再回到这个问题上面来,这个人坐飞船一分钟内完成离开地球再回到地球的过程,先不考虑这个飞行者受到的加速和减速,这个人就是光速离开光速回来,下面从两个方面分析。

一分钟为地球上的一分钟

这个时候以地球为参考系,在地球上看,飞船以光速离开,再以光速回来。在地球上的人看来,飞船速度极快,飞船上的时钟相对于地球上的时钟会慢很多,地球上只过了一分钟,飞船上只过了比一分钟短很多的时间。也就是地球上一分钟后,飞船回来,因为飞船相对于地球参考系快速运动,飞船的时间变慢,地球只过了一分钟,那么时间膨胀的飞船上只是过了比一分钟短很多的时间,所以可以见到家人。

一分钟是飞船内的一分钟

这个时候的参考系变成了飞船内,我们上面说到,速度引起的时间膨胀是相互的。飞船在做相对于地球的光速飞行,那么地球也相对于飞船做光速飞行。这个时候在飞行者看来,地球速度极快,地球时间变慢。飞行者在光速飞船中待了一分钟,但是在他看来,地球时间变慢,只是过了比一分钟短很多的时间,他回到地球,也可以见到家人。

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可以看到上述两种情况得到的结果互不相容,这就是孪生子佯谬:有一对孪生兄弟,一个坐上飞船去星际旅行,另一个老实待在地球上。从地球参考系看,旅行者回到地球后,我们会发现旅行者比留守者要年轻,但是我们从相对飞船静止的参考系上看,留守者要比旅行者年轻。这个佯谬是基于狭义相对论考虑的,在这两兄弟各自的参考系中,都认为对方在运动,由于运动时钟会变慢,所以都认为对方更年轻。

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产生这个佯谬的原因是狭义相对论中时间膨胀仅对于惯性参考系成立,因为飞行者在离开地球再回到地球,必然是经历过两次加速和两次减速。在广义相对论中解释道:加速过程中的惯性力与引力等同,而引力也会引起时间膨胀。就像电影星际穿越里的片段,主角来到受引力作用较大的星球上待了一会儿后回到永恒号发现黑人博士的时间已经过去了17年。现在我们把加速这个因素再带回到这个问题中。

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地球上的一分钟

以地球静止为参考系,飞行者相对地球做光速运动,那么在地球上看来,飞船内时间变慢。并且飞行者受到了加速力的影响,要一分钟内做两次零到光速的加速和两次光速到零的减速,也就是说这个加速过程中的惯性力相当巨大,等同于引力的话,相当于受到巨大的引力,飞行者的时间也就更急剧的膨胀,相对于地球来说,飞行者流逝的时间将会比不考虑加速时短更多,所以能够见到家人。

飞船上的一分钟

以飞船静止为参考系,因为飞船相对于地球做光速运动,那么地球相对飞船也在做光速运动,那么在飞行者看来,地球时间变慢。但是由于飞行者受到巨大的加速惯性力,因为一分钟内做两次零到光速的加速和两次光速到零的减速,这个力是巨大的,由此引发的时间膨胀将会是巨大的,并且由惯性力引发的时间膨胀速度要快于地球的膨胀速度,也就是飞船内的时间流逝得比地球更慢。所以这个飞行者一分钟后回到地球,地球可能已经过去了很长一段时间,也就见不到家人了。

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其实不考虑这些问题这个人也见不到他的家人,这么大的加速下,这个人早就没了。

文/三土和阿柳(图片来自网络,侵删 喜欢的朋友可以来个关注)

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