相对论|如果有人以光速飞到宇宙中，1天后回到地球，他还能见到家人吗？宇宙飞船|爱因斯坦|卫星

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片

虽然人类的科技水平是有限的，但我们可以基于想象力来进行现实无法实现的思想实验。包括牛顿、爱因斯坦、薛定谔在内的很多物理学家都有提出过著名的思想实验，例如，牛顿大炮、爱因斯坦的追光思想实验、薛定谔的猫。
爱因斯坦曾在16岁时想象，如果追上一束光，他会看到什么现象？这个思想实验为他后来创立狭义相对论奠定了基础。本文所讨论的话题源自于爱因斯坦的狭义相对论，如果一个人以光速飞到宇宙中， 1天后回到地球上，他还能见到家人吗？地球上的时间究竟过了多久呢？
【相对论|如果有人以光速飞到宇宙中，1天后回到地球，他还能见到家人吗？】
如果从生活经验出发，这个问题的答案似乎很简单，在宇宙飞1天返回，地球上当然是过去1天。但事实上，我们被所谓的常识蒙蔽了双眼，相对论告诉我们事情没有那么简单。
根据相对论，时间在宇宙各处并不是以相同的速率在流逝，宇宙中并没有一个绝对的标准时钟。如果比较两个速度不同的参照系时间，就会发现时间流逝有快有慢，时间在速度较快的参照系中放慢了。
举例来说，行驶的高铁上的时间要比地面上过得慢。时间具体慢多少，取决于高铁的运动速度v ，狭义相对论给出了计算公式：
上式中， Δt为地面上的时间， ΔT为高铁上的时间， c为真空中的光速。
由于光速每秒将近30万公里，这个速度远高于高铁，使得时间膨胀效应小到可以忽略不计。假设高铁的运动速度为300公里/小时，当一个人乘坐该高铁运动一天之后，他所经历的时间比地面上的人慢了大约3.3纳秒，也就是10亿分之3.3秒。
然而，当速度接近光速时， v/c将会接近于1 ，这会使得时间膨胀效应变得非常明显。另外需要注意的是，上式也意味着物体的运动速度不可能达到光速，不然分母就会失去意义。虽然物体的速度达不到光速，但我们可以讨论一下速度接近光速会怎样？
由于相对论否认了绝对时间的概念，所以每当谈及时间的时候，需要明确时间对应于哪个参照系。假设这个1天的时间是宇宙飞船参照系的时间，当一个人乘坐速度为99%光速的宇宙飞船飞行1天再返回，那么，此时地球上的时间将会过去7天。对于地球上的人来说，宇宙飞船是在一周前离开，但飞船上的人却会认为出发时间是昨天。
如果飞船以99.94443%光速飞行1天，地球上将会过去1个月的时间。如果飞船以99.9996245%光速飞行1天，地球上将会过去1年的时间，飞船上的人过了1天，地球上的人却已经长了一岁。随着宇宙飞船的速度越来越接近光速，时间流逝速率的差异将会快速变大，飞船时间过1天，可以相当于地球上过100年，或者一万年，甚至更长的时间。
因此，乘坐宇宙飞船的人回到地球上之后，能不能再见到他的家人，完全取决于飞船的飞行速度。如果飞船的速度够快，地球早已是沧海桑田。事实上，通过这样的方法，飞船能够飞到地球的未来。
值得注意的是，无论宇宙飞船飞得多快，飞船上的人都不会感受到自己的时间变慢了，过一天就是一天。但如果地球上有人通过天文望远镜来观测飞船，他会发现飞船上的人行动十分缓慢。时间的快慢只有经过比较才会知道区别，自己无法直接感受到时间变得快了还是慢了。
这里还有一个问题，都说运动是相对的，飞船相对于地球快速运动，也可以看成地球相对于飞船快速运动，那么，这是否意味着地球上的时间变慢了呢？
其实不然。飞船从离开地球到返回地球，需要经过加速和减速，这种能够真实感受到加速度的运动才是绝对的，所以时间变慢的是飞船，而非地球。
在日常生活中，两个速度进行叠加合成后会发生变化。但相对论表明，光速是个例外。假如月球上发射出一束光，无论是飞船上的观测者，还是地球上的观测者，他们都会测出这束光的速度为相等的光速。