以0.9999倍光速飛行100光年,需要飛多長的時間?

天空之城 2022/10/02 檢舉 我要評論

如果一艘宇宙飛船以0.9999倍光速飛行100光年,需要飛多長的時間?對于這個問題,一個簡單的答案就是,1光年就是以光速飛行1年的距離,以0.9999倍光速飛行100光年,就需要飛大約100.01年的時間。

實際上,「100.01年」這個答案確實是對的,但它卻不是唯一的,因為根據愛因斯坦提出的《狹義相對論》,時間并不是一成不變的,對于乘坐這艘宇宙飛船的人來講,他們的時間其實會變慢,為什麼會這樣呢?這就要從「光速不變原理」開始講起。

「光速不變原理」是愛因斯坦提出《狹義相對論》的基本出發點之一,其內容可以簡單地描述為,不管你在哪種參考系中觀察,光在真空中的速度都是一個恒定的常數(即每秒鐘299792458米)。

也就是說,對于真空中的一束光而言,無論你處于什麼運動狀態,迎著它運動也好,背向它運動也好,你觀察到的這束光的速度都是每秒鐘299792458米。那「光速不變原理」為什麼會導致時間變慢呢?這可以通過一個簡單的思想實驗來加以說明。

為方便討論,我們不妨將光速取一個近似值,也就是每秒鐘30萬公里,我們假設有一列長度為300米的火車,以每秒鐘30米的速度直線前進,再假設有兩個觀測者,其中的「觀測者1」位于這列火車的尾部,而「觀測者2」則站在作為靜止參考系的地面上。

一切準備就緒之后,如果觀測者1利用發光裝置從火車的尾部向火車的頭部發射一束光,那麼根據他的觀察,這束光就會在0.000001秒抵達火車的頭部,在此期間,這束光的飛行距離其實就是火車的長度,也就是300米。

不過對于站在地面上的觀測者2來講,情況卻有點不一樣,從他的角度來看,在「光束從火車尾部抵達火車頭部」的這個事件中,這束光的飛行距離其實是300.00003米,而之所以多出的0.00003米,是因為在這個事件中,火車還前進了一點距離。

那麼問題就來了,在這個事件中,觀測者2經歷了多少時間呢?如果按照常規的思路來分析,這束光在觀測者2看來應該是疊加了火車的速度,也就是每秒鐘30萬公里再加上30米,如此計算的話,觀測者2在此事件中同樣也經歷了0.000001秒的時間。

然而根據「光速不變原理」,無論是位于火車上的觀測者1,還是站在地面上的觀測者2,他們所觀察到的這束光的速度都是恒定的,也就是說,在觀測者2看來,這束光并不會疊加火車的運動速度,依然是每秒鐘30萬公里,所以觀測者2在此事件中經歷的時間,其實是0.0000010000001秒。

可以看到, 在上述的同一個事件之中,觀測者1經歷了0.000001秒的時間,而觀測者2則經歷了0.0000010000001秒,而這也就意味著,觀測者1的時間變慢了。

實際上,這種現象就是《狹義相對論》所描述的「時間膨脹」,通過上述的思想實驗我們可以清楚地看到, 速度越快,「時間膨脹」就會越明顯,具體應該如何計算呢?

其實愛因斯坦早已給出了詳細的公式,即:「T = t/根號下[1 - (v^2/c^2)]」,其中T、t、v、c可以分別代表地球上的時間、宇宙飛船的時間、宇宙飛船的速度以及真空光速。

據此可以計算出,當宇宙飛船的速度達到0.9999倍光速時,時間就會膨脹大約70.71倍,也就是說,地球上經歷了100年的時間,宇宙飛船上的時間卻只度過了大約1.41年。

所以如果一艘宇宙飛船以0.9999倍光速飛行100光年,那麼對于地球上的觀測者而言,這艘宇宙飛船確實需要大約100.01年,但對于乘坐這艘宇宙飛船的人來講,他們卻只需要大約1.41年的時間。

值得一提的是,盡管「時間膨脹」令人很難接受,但在過去的日子里,科學家已經在實驗中對其進行了多次驗證,例如「飛行鐘實驗」、「μ-介子實驗」等等。因此可以說,這種現象是客觀存在的,或許在不太遙遠的未來,人類可以利用這種現象大幅縮短在星際航行時所需的時間,從而進入浩瀚的星辰大海。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論