在科幻电影里面,经常能够看到男(女)主角经历亚光速旅行返回地球,却发现故乡的同龄人已满鬓白霜,垂垂老矣的情景。
接近光速航行的飞船时间为什么会变慢?其实这一切都是时间膨胀效应发生作用的结果。多年前,伟大的物理学家爱因斯坦通过一个天才的思想实验向我们揭示了这一点。
狭义相对论认为,无论在何种惯性系中观察,真空中的光速都保持不变,即每秒,,米。因此,运动的时钟和静止的时钟比起来,时间的流逝必然会出现差异。
下面让我们想象一个光时钟,一个光子在两个平行的镜面间以光速来回反射,每反射一次时钟就滴答一下。
现在我们想象这个静止的光时钟运动起来,但光子还是以同样的速度击打镜面的同一个位置。这样光子每次反射运动的距离就会变长,时钟滴答两次的间隔也会延长。也就是说,时间变慢了!
那么,运动的时钟比静止的时钟快多少呢?
t=运动时钟的时间;t0=静止时钟的时间;h=镜面间垂直距离;x=水平距离;c=光速
光子每次斜线运动的距离根据勾股定理可以求出,而时间=距离/速度。因此运动的时钟每滴答一下的时间为:
这个方程式还可以表示为:
经过公式变换(过程略),我们最终得到了神奇的时间膨胀公式:
距离太阳最近的恒星——半人马座比邻星在4.24光年之外,人类最快的飞行器旅行者1号速度为17.05千米/秒,乘坐它到达比邻星需要7万年!
如果乘坐光速30%的飞船,在时间膨胀效应作用下,飞船时间比地球时间的流逝慢多少呢?用上面的公式可以算出,地球时间过去了14.65年,而飞船上流逝的时间为14年,也就是说,你比地球上的同龄人年轻了8个月!
时间膨胀效应随着物体运动速度趋近光速,会发生显著的作用。如果以99%的光速飞行14年,根据公式可以算出地球上已经过了99年!整整比飞船时间快了85年!
因此,未来一次普通的太空之旅可能就意味着和地球亲人的生死诀别,这或许就是恒星际旅行真正残酷之处!
需要指出的是,接近光速飞行的宇宙飞船时间变慢,只是相对于静止的参照系来说的,飞船上的旅客不会感觉到任何变化,身体的新陈代谢不会减慢,寿命也不会延长。因此,想通过星际旅行“长生不老”是行不通的!