空间站的时间会变慢!航天员驻留半年会有什么变化

神州13号三人组要在空间站驻留长达6个月 。 空间站距离地面高度约400公里 , 运行速度约7.68km/s 。 如果忽略起飞与降落 , 以该速度从北京飞到上海只需要2分多钟 。
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有些小伙伴提出疑问:速度这么快 , 驻留这么久 , 航天员会不会产生时间膨胀 , 减缓衰老?
结论:时间膨胀是相对其他人而言的 , 并不会改变自己的生理时间 。 根据《相对论》 , 三人组时间流逝相对地面会变慢 , 但差别几乎可以忽略不计 , 与地面上的人相比 , 累积6个月减慢不到1秒 。
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时间膨胀效应来源于《相对论》 , 爱因斯坦用《相对论》重新定义了时间、空间、物质之间的关系 , 分为“狭义”和“广义”两个部分 。 狭义描述了“速度时间膨胀效应” , 广义描述了“引力时间膨胀” , 空间站的时间膨胀为两者的叠加 。
空间站的时间会变慢!航天员驻留半年会有什么变化】速度时间膨胀
速度时间膨胀指的是高速运动的物体时间流逝速度会变慢 。 还有一种说法是“动钟变慢” , 高速运动的时钟摆动会变慢 。 《狭义相对论》是基于两条公理:相对性原理与光速不变原理 。 “光速不变”指的是:
彼此做匀速直线运动的任何惯性参考系中 , 所观察到的光速都是一样的 , 约为30万公里/秒(真空中) 。
下面举例说明一下:
空间站的时间会变慢!航天员驻留半年会有什么变化
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妹妹在地面上
假设一对孪生姐妹 , 姐姐是航天员乘坐0.866倍光速的飞船出征星辰大海 , 临行前妹妹将两个同步的光钟分给了姐姐一个 , 光会光钟内上下摆动进行计时 。
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姐姐在飞船上
由于速度是相对的 , 所以假设妹妹不动(以妹妹为参考系) 。 妹妹看向飞船 , 非常震惊 , 因为她发现飞船上姐姐的光钟轨迹为沿飞船速度方向“斜上斜下”运动 , 自己身边的光钟是“直上直下”的 。
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由于光速“C”对于两人来说是一样的 , 但斜线更长(t=斜边/C) , 所以妹妹认为姐姐的光钟摆动慢了 , 姐姐衰老的速度将比自己慢 。 根据勾股定理可以计算出:如果姐姐光钟走了1年 , 那么妹妹的光钟会走2年 , 妹妹比姐姐大1岁 。
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如果以姐姐为参考系(飞船不动) , 地球以0.886C离飞船远去 , 姐姐也会发现妹妹的光钟走斜线 , 变慢了 , 自己应该比妹妹大1岁 。 由于速度是相对的 , 所以结果是一样的 。 那么姐姐返航后 , 谁更大?
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答案是妹妹 , 我们引入第三方“地球”为参考系最好解释 , 飞船始终是“动钟” , 由于动钟变慢 , 所以重逢时姐姐更年轻 。
实验与空间站
速度时间膨胀有点反常识 , 但1941年就已经被μ子观测实验所证实 。 μ子是一种极不稳定的粒子 , 由宇宙射线撞击大气分子所产生 , 平均寿命只有2.2微秒 , 衰变之前能移动的距离不到700米 。
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按理说山顶观测到的μ子 , 还没到海平面 , 它们就该消失了 。 然而 , 海平面依然能观测大量μ子 , 而且只比山顶观测到的少了一点 。 这是因为μ子速度接近光速 , 时间膨胀效应使其衰变速度减慢了约10倍 。
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我国空间站速度大约为7.7km/s , 看似很快 , 但相对于光速仅不到十万分之三 , 所以速度产生的时间膨胀很小 。 通过速度时间膨胀公式计算 , 结果约为5.2毫秒(累计6个月的量) 。
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引力时间膨胀
《广义相对论》讲述了“引力时间膨胀” , 引力越大 , 时间流速越慢 。 相对于地面上的人员 , 空间站离地球更远 , 所受引力更小 , 因此时间流速会更快 。
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物质告诉时空如何弯曲 , 时空告诉物质如何运动 。
简单来说:时空就像一块海绵 , 当物质出现在其中 , 时空就会出扭曲 。 光总是在时空中寻找两点间最短的路线 , 在一般情况下(平直时空)它们沿直线传播 , 但经过质量较大的天体时 , 光的行进路线会出现明显的偏转 。 例如:黑洞可以让光“只进不出” 。