以光速离开地面一分钟,马上返回,到达地面后,地球上过了多久?
网络上有很多类似这样的问题。
以光速离开1分钟,是光速飞船里的人感受1分钟,还是外面的观测者时间1分钟呢?这个马上返回又是什么意思呢?是行驶了1分钟突然原速返回,前后一共用了2分钟,还是有其他什么意思呢?这里面包括了掉头、加速和减速过程吗?“到达地面后”的意思,是包括在一去一回2分钟内,忽略掉加速、减速的、掉头吗?地球上过了多久的意思是指光速飞船里过了两分钟啰,而不是地球观测者两分钟的意思吗?
好,现在我就以这个混乱题目先理解出一个确定的含义,再来分析一下这个问题。
确定含义:因为这个题目最后部分是说地球上过了多久,意思就是飞船里面的人离开地面1分钟又马上返回,因此飞船里面的人来回一共花了2分钟,这里面是排除了加速减速掉头时间的。不知道我这种理解对不对,即便不对,也只能这样理解来回答。
但可惜结论是无答案,因为光速飞船时间停止。
根据速度时间膨胀效应,在高速惯性系里,会发生尺缩钟慢效应,就是飞船里的人会感觉也实际体验到距离缩短、时间变慢效应,达到光速空间为零,时间停止。也就是在光速飞船里的人,在宇宙任意空间移动,感受不到空间距离,也没有时间流逝。这种没有时间流逝是真正的感受到没花时间,也没有动,而不是像孙悟空给了定身法一样把人定住了。
速度时间膨胀遵循的公式表达为:t'=t/√[1-(v/c)]
式中,t‘是低速系观测者时钟时间;t是高速系时间记录;v是相对低速观测者移动速度;c为光速。
也就是说,如果真的有光速飞船存在的话,在光速中穿梭的人感觉不到时间流逝,这两分钟永远不会发生,因此地球上的人天荒地老,多少亿年过去,也无法让飞船的人感受到过了1秒,更别说2分钟了。
但如果算上加速和减速时间,2分钟很快过去,但这样又如何界定飞1分钟后马上返回地球呢?所以答案无解。但如果从地球人看来,花了2分钟来回的光速飞船,应该是行进了1800万千米又回到了原点。
如果是以亚光速飞行或者无限接近光速飞行就另当别论了。
根据速度时间膨胀公式,我们可以计算出达到光速的50%时,时间膨胀只能够达到1.15倍,也就是说飞船里的人过了2分钟,地球上观测着过了2.3分钟,也就是约138秒,变化并不大;但速度达到光速的99%时,飞船里的时间膨胀是地球观测者的约7.09倍,这样飞船里的人过了2分钟返回地球,地球人就感觉过了14.18分钟。
计算过程:t'=2/√[1-(0.99/1)]=14.18
飞船里的人过了2分钟,地球观测者过了14.18分钟,相对飞船里的人时间快了7.09倍。当飞船速度达到光速的99.99%时,这种效应约达到70倍;达到光速的99.999999999999%时,这种效应就约达到707万倍。也就是说,飞船里的人感觉过了2分钟,地球观测者却过了9847天了,足足近27年!
这就是速度时间膨胀效应,越接近光速膨胀效应越大的规律。
但光速是无法达到的,只能是幻想。
狭义相对论认为,真空光速是宇宙中物质运行的最高速度,任何有静止质量的物体都无法达到光速,一个电子也不行。因为有静质量的物体速度越快动质量越大,到达光速动质量将趋于无限大。而整个宇宙的质量都是有限的,因此是一个悖论。
质速关系公式表达为:M=m/√[1-(v/c)^2]
其中M为物质的运动质量,m为物质的静质量,v为运动速度,c为光速。
根据这个公式计算,物体运行速度达到光速无法计算,结果为零。当一艘10吨飞船达到光速的99%时,其动质量将达到约70吨,当达到99.999999999999%时,就成了7071万吨,这时再往上增加速度,动质量也呈指数增长,所需要的能量更是成倍增长。
况且任何飞船都不可能突然就到达光速,而是经过加速渐渐提升的。如果真的突然到达极高速度,不要说光速,就是10km/s的速度飞船也会在大气层中烧掉,物质强度和结构也无法承受。
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