以0.9999倍光速飞行100光年,需要飞多长的时间?

如果一艘宇宙飞船以0.9999倍光速飞行100光年,需要飞多长的时间?对于这个问题,一个简单的答案就是,1光年就是以光速飞行1年的距离,以0.9999倍光速飞行100光年,就需要飞大约100.01年的时间。

实际上,“100.01年”这个答案确实是对的,但它却不是唯一的,因为根据爱因斯坦提出的《狭义相对论》,时间并不是一成不变的,对于乘坐这艘宇宙飞船的人来讲,他们的时间其实会变慢,为什么会这样呢?这就要从“光速不变原理”开始讲起。

“光速不变原理”是爱因斯坦提出《狭义相对论》的基本出发点之一,其内容可以简单地描述为,不管你在哪种参考系中观察,光在真空中的速度都是一个恒定的常数(即每秒钟299792458米)。

也就是说,对于真空中的一束光而言,无论你处于什么运动状态,迎着它运动也好,背向它运动也好,你观察到的这束光的速度都是每秒钟299792458米。那“光速不变原理”为什么会导致时间变慢呢?这可以通过一个简单的思想实验来加以说明。

为方便讨论,我们不妨将光速取一个近似值,也就是每秒钟30万公里,我们假设有一列长度为300米的火车,以每秒钟30米的速度直线前进,再假设有两个观测者,其中的“观测者1”位于这列火车的尾部,而“观测者2”则站在作为静止参考系的地面上。

一切准备就绪之后,如果观测者1利用发光装置从火车的尾部向火车的头部发射一束光,那么根据他的观察,这束光就会在0.000001秒抵达火车的头部,在此期间,这束光的飞行距离其实就是火车的长度,也就是300米。

不过对于站在地面上的观测者2来讲,情况却有点不一样,从他的角度来看,在“光束从火车尾部抵达火车头部”的这个事件中,这束光的飞行距离其实是300.00003米,而之所以多出的0.00003米,是因为在这个事件中,火车还前进了一点距离。

那么问题就来了,在这个事件中,观测者2经历了多少时间呢?如果按照常规的思路来分析,这束光在观测者2看来应该是叠加了火车的速度,也就是每秒钟30万公里再加上30米,如此计算的话,观测者2在此事件中同样也经历了0.000001秒的时间。

然而根据“光速不变原理”,无论是位于火车上的观测者1,还是站在地面上的观测者2,他们所观察到的这束光的速度都是恒定的,也就是说,在观测者2看来,这束光并不会叠加火车的运动速度,依然是每秒钟30万公里,所以观测者2在此事件中经历的时间,其实是0.0000010000001秒。

可以看到,在上述的同一个事件之中,观测者1经历了0.000001秒的时间,而观测者2则经历了0.0000010000001秒,而这也就意味着,观测者1的时间变慢了。

实际上,这种现象就是《狭义相对论》所描述的“时间膨胀”,通过上述的思想实验我们可以清楚地看到,速度越快,“时间膨胀”就会越明显,具体应该如何计算呢?

其实爱因斯坦早已给出了详细的公式,即:“T = t/根号下[1 - (v^2/c^2)]”,其中T、t、v、c可以分别代表地球上的时间、宇宙飞船的时间、宇宙飞船的速度以及真空光速。

据此可以计算出,当宇宙飞船的速度达到0.9999倍光速时,时间就会膨胀大约70.71倍,也就是说,地球上经历了100年的时间,宇宙飞船上的时间却只度过了大约1.41年。

所以如果一艘宇宙飞船以0.9999倍光速飞行100光年,那么对于地球上的观测者而言,这艘宇宙飞船确实需要大约100.01年,但对于乘坐这艘宇宙飞船的人来讲,他们却只需要大约1.41年的时间。

值得一提的是,尽管“时间膨胀”令人很难接受,但在过去的日子里,科学家已经在实验中对其进行了多次验证,例如“飞行钟实验”、“μ-介子实验”等等。因此可以说,这种现象是客观存在的,或许在不太遥远的未来,人类可以利用这种现象大幅缩短在星际航行时所需的时间,从而进入浩瀚的星辰大海。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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