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人以光速飞到宇宙 1天后返回 他家人还在地球上吗
送交者: Maradona[★★90后空巢老人★★] 于 2020-09-16 11:00 已读 1021 次  

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在狭义相对论中的钟慢效应看起很简单,其实不然!我们常说一个物体运动速度越快,它所经历的时间流逝速度相对于静止的物体越慢,这句话没有毛病。 6park.com

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但是你怎样通过狭义相对论的钟慢效应来产生真实的时间变慢效果。也就是说,你想使得自己通过运动变得比其他物体更加年轻,却是一个非常复杂,且充满误解的一个问题。 6park.com

这个问题其实就是狭义相对论中所讨论过的双生子问题。 6park.com


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要了解这个问题,我们首先要知道什么是惯性系和非惯性系,这两个概念在狭义相对论中非常重要,是理解双生子问题的关键。 6park.com

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惯性其实就是牛顿第一定律的表述,一个孤立的质点在没有受到外力的情况下,也就是合力为零的情况下,这个质点会保持匀速直线运动或者静止。 6park.com

以这样一个运动状态的物体作为参考系,那么这个参考系就是惯性参考系。 6park.com

相反当一个物体受到的合力不为零,也就是存在一个加速度的话,那么这个物体就是在做非惯性运动,它也是一个非惯性的参考系。 6park.com

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那么双生子问题说的是啥?当爱因斯坦发表了自己的狭义相对论以后,提出了很多违反人类直觉的物理学结论,其实最让人难以理解的就是钟慢效应。 6park.com

因为在此之前人类一直认为时间的流逝速度对于任何事物,不管它处在怎样的运动状态都是一样,这就是牛顿的绝对时空观。但是钟慢效应告诉我们处在运动状态下的事物的时间流逝速度会发生变化。 6park.com

为什么会产生这样的效果呢?其实时间变慢很好理解,很多的科普文章视频都有讲解,我这里就简单提下,看下图就明白了。 6park.com

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光速不变原理是狭义相对论的基本假设,在20世纪也得到了迈克尔逊-莫雷实验的证实,这一毋庸置疑。正是因为光速相对于任何事物的运动状态都保持一个定值,这就为我们带来了钟慢效应。 6park.com

上图其实就是一个光子钟,光子上下运动一个来回,我们记为1秒,我们外部的观察者看一个静止的光种的时候,光子在上下正常运动,时间也不会发生变化。 6park.com

但是当我们外部的观察者看一个处在运动状态下的光子钟的时候,由于光速不满足日常生活中的叠加原理(也就是光速不管怎样都不变),就产生了一个奇怪的现象。 6park.com

光子走过了更长的路径,这说明它比静止的光钟,时间过的更慢。很简单吧,这就是运动状态下时间变慢的原因。 6park.com

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但是这里有个经常容易出现的误解就是,有人会认为处在运动状态下的光钟,或者人感受到的时间真的变慢了。如果我们以光速运动就会让时间流逝的异常缓慢,甚至是停止,是不是就能长生不老了? 6park.com

其实并不是这样的,时间变慢效应是相对于外部观察者来说的,是外部观察者看到的效应,而不是自己亲身体会到的效应。这就是为何叫相对论的原因了。 6park.com

因为和光钟处在同一坐标系下的观察者,他会看到光钟是静止的,光钟的时间在正常流逝。因此,假如你能以光速旅行,不管速度有多快,你的一秒就是你感受到的一秒,你并不能感受到自己的时间变慢。也就是说,你能活一百岁,依然只能活100岁。 6park.com

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那么你可能会问,钟慢效应并不能真实的改变运动状态下事物所经历的真实时间,那这个钟慢效应有什么意思呢? 6park.com

钟慢效应其实改变的是你和静止的观察者所处的时空框架,在不同的时空框架下时间的流逝速度是不一样的。
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也就是说,你的一秒不再是静止观察者的一秒,你的钟走了一秒,外部的静止观察者可能就走了三秒、甚至是四秒。意思就是你的时间和他的时间不在等价了。这样就会带来真实的时间差。 6park.com

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这是否就意味着,我只要运动就能产生这样的真实效果,其实并不是的。这就是双生子问题的来源。你看,假如在地球上有一个和你同时出生的双胞胎B。 6park.com

在你出生时,你就开始坐宇宙飞船离开地球以非常快的速度进行一段时间的星际旅行,然后返回地球,根据以上的观点进行分析,那么你会认为自己经历了高速运动,自己应该更加年轻。 6park.com

但是处在地球上的双胞胎B会认为你并没有运动,而是自己朝相反的方向运动了,他应该比你年轻。这就是双生子佯谬。 6park.com

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那么到底是你认为的正确还是双胞胎B认为的正确呢?其实你是正确的,你比地球上的双胞胎B更加年轻,因为狭义相对论效应的等价只能发生在两个惯性系的身上,也就是说钟慢效应会真实的发生在非惯性系的身上。 6park.com

由于你在离开地球时,要经历一个加速运动,在返回地球时要经历一个减速到反方向的加速过程,因此在这个运动过程中,你有一段时间是一个非惯性系,而地球上的双胞胎B一直都处在惯性系下,因此你所经历的时间流逝速度会真实的慢于地球上的双胞胎B。 6park.com

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彻底了解了以上的问题,我们再来看看今天的问题,如果有人以光速飞到宇宙中,1天后返回,他的家人还在地球上吗? 6park.com

返回这两个字非常重要,如果这个人(运动者A)只是以光速匀速飞出去了,并没有回来,那么我们就认为他和地球上的家人都处在惯性系下,狭义相对论的效应就是等价的,谁也不会比谁变得更老。 6park.com

而在返回的过程中,运动者A就是一个非惯性系,因此他在这段时间内就会相对于地球上处在惯性系的家人真实的发生钟慢效应。 6park.com

我们知道运动速度越快,钟慢效应就越明显,以光速运动的话,在地球上的家人看来,飞船上的运动者A时间就基本上停止的。看下图 6park.com

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上图左,当达到0.9倍的光速时,时间会膨胀到大约2倍,从0.9倍光速到1倍光速,时间膨胀效应就会急剧的增加,当达到1倍光速时,就会达到无限大,在外部观察者看来你的时间就会变得没有意义,甚至停止。 6park.com

但是你自己却能感受到正常的时间流逝。所以假如你以非惯性运动的状态以光速运动,例如,以光速绕地球做圆周运动,这就是一个典型的非惯性运动。 6park.com

这时你在飞船上哪怕过上一秒,对于地球上的人类说,都是无比漫长的时间。从公式上看,你的一秒等于地球上无限长的时间。 6park.com

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所以当你真的能够达到光速旅行的话,通过让自己绕地球、太阳系、或者银河系运动,总的来说只要让自己保持在非惯性系的运动,你就能做到相对于宇宙真正的“永生”。因为这时你的1秒已经相当于其他事物无限长的时间,你能活100年,那岂不是相对于其他事物,不死不灭了。 6park.com

你有没有发现,当你真正达到光速、并做非惯性运动时,就会出现一个奇怪的现象,只要满足以上的条件,哪怕你在飞船上经历1飞秒的时间,都等于宇宙中其他事物无限长的时间。 6park.com

以光速运动这个问题讨论起来好像已经没有意义了,其实本身就没有意义。 6park.com

所以,当你达到光速,你不仅见不到你的家人,回来时地球估计已经都没有了。 6park.com

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这里我还需在强调一件事,当你达到光速你自己并非体验不到时间流逝,你依然会在100年内死去,你也并不能达到宇宙中任何的位置,你以光速旅行100年,也只能达到100光年处。
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你在宇宙中以光速旅行时,也会经历漫长的时间煎熬。唯一不同的是,你煎熬了100年,地球上的人可能就煎熬了无限长的时间。   
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