假如飞船以99.9%光速去100光年外的星球需要多少时间?答案是比较确定的,若大家有任何疑问都可在评论中提出。按照公式计算,飞船只需要5.17天即可到底该星球。下面详细说明,保证解决您的所有疑团。
首先必须假设该飞船是作的匀速直线运动,所以讨论的都仅仅是狭义相对论效应。什么叫匀速直线运动,准确地说是惯性参考系,可以这样理解,飞船中的人感觉不到加速。比如坐公交时,急刹车,乘客就能感觉到加速。
所谓飞船以近光速飞行,是指飞船相对于地球上的人的速度。抛开参照物讨论速度是无意义的。在飞船上的人,他如果不看外面,是完全感觉不到自己的速度的。这就好比我们完全感受不到我们地球在高速自转和公转一样。
飞船用了5.17天到达那个星球,在这5天多中,飞船上的人感觉不到自己的钟变慢了,也感觉不到衰老变快或变慢。它只是知道过了5天多,他就从地球飞到了那个星球。
在地球所在的参考系看来,飞船从飞过地球到到达那个星球,总共用了接近100年的时间。什么叫“所在的参考系”,这是重点,圈起来,要考。因为地球人是看不到遥远的星球发生的事的,一方面他视力没有那么好,另一方面,光传播是需要花时间的。所以正确的做法是,地球人会委托那个星球上住的人来观察,星球人看到飞船掠过星球的时刻减去地球人看到飞船离开地球的时刻,即是所用时间,大约是100年。地球人和星球人共同组成一个参考系。
这里有两个重要假设,就是地球人和星球的时钟是严格对时的。关于如何对时,可以用中点光源法,也可以用以很慢的速度把一只对好时间的钟,慢慢移动到星球(可能需要几万年)。第二个假设地球和星球相对静止,即相互之间没有运动。
我们假设地球人和星球人是双胞胎(当然这是不可能的,因为跑过去可能要几万年,如果以近光速飞行,则肯定会打破时间系统。姑且这样假设吧)。地球人在看到飞船离开地球时,他10岁,那么星球上那个双胞胎看到飞船经过星球时,已经是110岁了。而两个人声称看到飞船上的人时,却发现飞船人没有变老,大约只“老”了5天。顺便说一下,星球人坐高速交通工具回去告诉地球人这个结果,地球人在得知结果时,已经是至少100年后了,那时候,地球人至少是210岁。
上面啰啰嗦嗦说了半天,大家千万不要觉得麻烦,事实就是如此,必须异地测量,凡是认为地球人可以看到飞船人的所有动作的,都是没有完全理解参考系的精髓。理解了异地测量的必须性,也就可以解决你以前的多数谜团了。同一时间,同一地点,测量才准确。否则,那就变成牛顿力学中的绝对时空观了。
重点又来了,飞船人眼中看到了什么?经过地球时,看到地球飞快地离自己远去,地球的速度几乎达到了光速。他觉得他自己是静止的,地球正在以近光速运动。这也正是运动的相对性,地球人声称飞船人近光速,飞船人又何尝不是认为地球人在作近光速运动呢?如果飞船人视力足够好,或者用高速摄像机为地球照个相,他竟然发现地球不是圆的。地球在运动方向上被压扁了,地球成了一个很扁很扁的椭圆。这就是运动的尺缩短。狭义相对论的基本常识。飞船人看到地球到月亮的距离只有54公里,而地球人声称地球到月亮有384000公里。当然运动是相对的,在地球人和飞船人擦肩而过的瞬间,地球人觉得飞船人好瘦好瘦,比竹竿还细。飞船人看地球人也同样细的像竹竿。
总之,由于运动的尺缩短,飞船人感觉地球到星球的距离远远没有100光年那么遥远。所以他5天多就飞到了地球人所在参考系认为的100光年那么远的地方。
最后一个问题,飞船人是否比地球人衰老的慢,比方说,是否地球人过了100年,飞船人才老5天。在狭义相对论中,即上面的假设中,这是绝对不可能发生的。因为本文开始接假设,飞船是匀速直线运动,也就是直线往前冲,永远也回不了头了,它永远也不可能和地球人手拉手比较年龄了。注意,比较年龄必须在同一个地点,相对静止。
聪明的你,可能马上就想到了,难道飞船不能变通一下,掉头再回到地球吗?当然可以,但那就不是狭义相对论所可以解释的了,因为掉头过程中,产生了加速度。有加速度的系统,就要用到广义相对论。结论是,飞船的人回到地球,变得更年轻了。但是,请务必注意,他之所以掉头回到地球变年轻,绝对不是因为他的近光速运动,而是因为掉头所产生的强加速度。他是以加速来获得时间绝对延缓的。这个加速成本太大了,飞船人不得不接受非常强大的超重效果,会感觉自己变得好重好重,头部严重失血。做过过山车吧,体会一下。飞船人若要使自己哪怕年轻10岁,所需要承受的加速,估计即使连全世界顶级的飞行员也承受不住。所以要年轻,是要代价的,这个代价不是高速,而是高加速。
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