如果有人以亚光速飞行1年再返回,地球上的时间会过去多久?

这个问题涉及到了爱因斯坦的相对论。相对论禁止人以光速运动,因为人是有静止质量的,加速到光速需要无限能量。如果有人以足够接近光速的速度离开地球,然后再以相同速度返回,那么,地球上的时间会过去多久呢?

钟慢和尺缩效应

在相对论的框架下,时间和空间不再是绝对的存在,它们会随着观测者所在的参照系不同而发生变化。根据狭义相对论的钟慢和尺缩效应,参照系的速度越快,并且越接近光速,时间会变慢到趋于停止流逝,空间会被压缩到趋于零,具体公式如下:

上式中,ΔT和ΔL分别为运动参照系的时间和距离,Δt和Δl分别为相对静止参照系的时间和距离,v为相对速度,c为光速。

如果太空旅行者的运动速度能够达到0.866c,当他在太空中飞行1年返回地球上之时,地球上的时间已经是两年之后。地球人会认为太空旅行者是在前年离开地球,而不是去年。

如果速度更快,时间膨胀效应越显著,例如,当速度为光速的99.9996252%时,经过1年太空飞行的人回到的将会是365年之后的地球,跟他同个时代的人早已不在人世。而如果太空旅行者以这样的速度飞行1天,地球上的时间将会过去1年,这可谓是“天上一天,地上一年”。

究竟谁的时间变慢了?

不过,相对论表明没有绝对时空,也就没有哪个参照系更高级,所有参照系皆平权。既然如此,地球上的人会觉得太空旅行者因为运动而时间变慢,反过来,太空旅行者也会觉得自己是静止的,地球在远离他,所以地球上的时间会变慢。那么,究竟是谁的时间变慢了呢?

事实上,上述问题讨论的时候已经忽略了一个非常关键的东西,那就是加速和减速的过程。太空旅行者乘坐飞船从地球上出发,需要不断加速才能达到亚光速,回到地球上又要进行减速。也就是说,整个过程都是变速运动,而上述的公式只适合惯性参照系,也就是匀速直线运动或者相对静止的情况。经过加速和减速之后,飞船成了非惯性参照系。

由于太空旅行者需要力进行加速和减速,所以太空旅行者会真切地感受到惯性力,真正在加速或者减速运动的是太空旅行者。加速运动不是相对的,地球并没有加速。因此,时间变慢的是太空旅行者,而不是地球。

1g加速运动

如果要在很短时间内加速到亚光速,所需的加速度非常高,人体根本无法承受。对于长期的太空飞行,加速度为恒定1g是最好的选择,因为这样可以模拟在地球上感受到重力的情况。

在进行太空飞行时,前半程可以用1g加速度不断加速,后半程再用1g减速度不断减速。通过这样的方式,其实也能实现远距离的星际之旅,因为钟慢效应也会变得非常明显。

通过计算可知,如果以这种方式飞到1400光年外的开普勒-452b(有着“地球2.0”之称的系外行星),太空旅行者只要经历大约14年的时间。不过,对于地球上的人来说,太空旅行者飞到开普勒-452b需要1402年的时间。