30岁的宇航员坐光速飞船飞200年,回来后是多少岁?

  • 要想回答这个问题,首先我们需要知道什么是光速。

你可能说:这还不简单,光速嘛,就是光的速度,每秒钟30万公里。

实际上,根据爱因斯坦的狭义相对论,光速是指“所有无质量粒子和相关场的变化在真空中传播的速度”。一般而言,光速是一个物理常数,它的精确值为 299,792,458米/秒。

(光)

我们需要注意两点:

  • 一、所有无质量粒子和场才能达到光速。

按照爱因斯坦的理论,任何有质量的粒子都是无法达到光速的,到目前为止,已经知道的无质量粒子只有光子和胶子,其它全是有质量的粒子。胶子又被限制在强子中,从来没有人观测到自由的胶子,所以到目前为止宇宙中能达到光速的粒子只有光子。而其它的粒子如果要达到光速,它的质量都趋向于无穷大,所以狭义相对论认为有质量的粒子不可能达到光速。

(爱因斯坦)

  • 二、光速是指光在真空中传播的速度。

我们经常说空间站是在真空中飞行,太阳系的行星之间是真空地带,太阳系与其它星系之间是真空等等。宇宙中有没有真空?严格地说并没有。以前我们说地球大气层的厚度有1000公里,从这个角度来看,在400公里高度轨道上飞行的国际空间站实际还处在大气层内。而最新的观测结果更是表明地球大气层的实际厚度甚至要超过60万公里,也就是说连月球轨道都还在地球大气层的包裹之中。

(月球的周围并非真空,它在地球的大气中飞行)

同样的,无论是太阳系还是宇宙间看似一无所有的虚空之中,其实是充斥着各种各样的物质,你很难真正找到理想的真空。

了解到上述事实,我们便可以明白:“乘坐光速飞船”这个理想,至少按照爱因斯坦狭义相对论的原理,是不可能实现的了。

(想象中的光速飞行)

  • 如果你说爱因斯坦狭义相对论不一定是对的,那么等于你否认了狭义相对论中“时间膨胀”的理论。

这个“时间膨胀”理论认为:以光速行进的无质量粒子不受时间的影响

“时间膨胀”具体的表述是这样的:对于惯性参考系中的观察者,将测量相对于他移动的时钟,以比在其参考系中静止的时钟更慢

这种情况有时被称为特殊相对论时间膨胀。相对速度越快,彼此之间的时间膨胀越大,随着接近光速(299,792,458 m / s),时间达到零。这导致以光速行进的无质量粒子不受时间的影响。

(对于蓝色时钟的本地惯性参照系,运动中的红色时钟被认为是更慢的)

请注意,这里强调的是“以光速行进的无质量粒子不受时间的影响”。无论是人类的宇宙飞船或是人类本身都不是无质量粒子,所以一方面人类不能达到光速,即便是人类能以接近光速的速度飞行,狭义相对论关于时间膨胀的表述也许适用于无质量的粒子,但它是否适用于人类或其它有质量的物体,这还是个未知数。因为相对论不认为有质量的粒子可以达到光速。

  • 现在,我们将相对论抛到一边,假设一个宇航员真的呆在一艘光速飞行的宇宙飞船之中。他的时间真的能停止吗?

如果时间停止,是否意味着他的心脏停止了跳动、思维停止了运转、一切生命活动中止、甚至组成他肌体的所有粒子都被停止的时间“冻结”了呢?

(他到底多大?)

如果是,那代表他已经死了,并且他处于绝对零度的状态。而物理学认为宇宙中并不存在温度为绝对零度的物体,也就是说宇航员和他的飞船都不存在。

如果不是,那么这位宇航员一定会跟在地球上一样在不断衰老,200年后他要是还能幸运地回到地球走下飞船,他的年龄会是230岁。

你觉得他能活到230岁吗?