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假如你乘坐飞船光速离开地球一分钟后返回,还能见到你的家人吗?

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首先,这里必须强调两点。

第一,无论如何飞船不可能以光速飞行,因为飞船具有静质量。爱因斯坦的狭义相对论表明,任何具有静质量的物体速度都不可能达到或超越光速。当然,这并不是问题的关键,不过为了严谨起见,我们就假设飞船的速度无限接近光速。



第二,离开地球一分钟,这里的“一分钟”指的是飞船的时间,也就是你自己的时间。如果是地球上的一分钟就没意思了。地球仅仅过去了一分钟而已,当然能见到你的家人,除非出现极端情况。

所以,问题就演变为了:如果你乘坐一艘飞船以无限接近光速的速度离开地球一分钟,返回之后,你还能见到你的家人吗?

答案是:见不到你家人了。不但见不到你家人,你甚至无法返回地球,因为地球很可能也不存在了,太阳系,银河系甚至连你所在的宇宙都不存在了。

你可能会提出质疑:不至于吧,仅仅离开了一分钟,难道地球就会毁灭吗?



在牛顿的绝对时空观体系下,飞船上的一分钟与地球上的一分钟是一样的,不会有任何不同,因为时间和空间是绝对的,一成不变的。

但是爱因斯坦告诉我们,时空并不是绝对的,而是相对的。时间和空间都会受到速度和引力的影响而发生相应变化,具体表现就是时间膨胀和尺缩效应,两者是同步出现的,是平行关系,因为时间和空间不可分割,是一个整体。

简单来讲就是,速度越快时间就越慢。为什么速度会影响时间呢?一切都源于那个霸道的光速,因为光速是不变的,是绝对的,这也是爱因斯坦狭义相对论的基本假设之一:光速不变原理。



在我们的固有思维里,速度都是相对的,必须有参照系才有意义。比如说一辆小汽车的时速是100公里,这个速度通常我们默认是相对地面的速度,地面是参照系。

但光速不需要任何参照系,或者说光速相对任何参照系都保持不变。比如说即便你以0.99倍光速追赶一束光,这束光相对你来讲仍旧是光速,而不是0.01倍光速!

光速的这种绝对性意味着“同时的相对性”,何为“同时的相对性”?简单讲,对于一个参照系下同时发生的两件事,在其他参照系下,有可能不是同时发生的。下面来举例说明。



一辆火车匀速行驶,速度为V。在其中一节车厢的中央点亮一个光源,对于车厢里的乘客来讲,光源发出的光应该同时到达车厢的前后两端,因为光源与车厢前后两端的距离是一样的,同时光速保持恒定不变,用距离除以速度就能计算出时间。



不过对于站台上等待上火车的乘客来讲,情况就不一样了。因为火车一直在运动,而光速是恒定的,不会与火车的速度叠加。这意味着,在站台上的乘客眼里,光源发出的光速向前飞行的速度为C-V,向后飞行的速度为C+V。在距离相同的情况下,光会先到达后端,然后再到达前端。

而在火车上的乘客眼里,光是同时到达车厢两端的。

这就是“同时的相对性”,同一个事件,在不同的参照系里有可能不是同时发生的。但是现实中我们不可能观察到这种“同时的相对性”,因为光速实在太快了,火车的速度相对光速又很慢,差异实在太小了。



“同时的相对性”其实就是狭义相对论的核心,“同时的相对性”其实也意味着时间和空间的相对性。下面具体讲讲为什么时间和空间是相对的。



假设有这么一个光子钟,光子钟组成很简单,上下两面镜子,中间有一个光子来回垂直上下运动,碰到镜面时会发出“滴答”的声音。

你拿着这个光子钟乘坐一艘飞船离开地球,速度为V。我静止在地球上。

在你眼里,无论飞船的速度有多快,你看到的光子钟中的光子的运动轨迹都是上下垂直的,因为你和光子钟处于统一参照系。



但在我眼里就不一样了,由于光速是绝对不变的,我会看到光子钟里的光子以斜线运动。这就意味着光子钟“滴答”一声的时间间隔变长了,我会感受到你的时间变慢了。



具体变慢多少呢?通过勾股定律很容易结算出来。



从公式中可以看出我所在的地球时间与你所在的飞船时间之间的关系,与飞船的速度息息相关。当飞船的速度V无限接近光速时,你我之间的时间间隔会变得无限大。无限大意味着在我眼里你的时间趋于静止了。



时间静止什么意思?意味着不管飞船上的时间过去多久,那怕是一分钟,甚至一秒钟,飞船外部的时间都可能过去了无限久的时间。

也就是说,哪怕你仅仅离开地球一分钟时间,外部世界早就物是人非了,过去亿万年的时间了。不要说地球了,连我们的宇宙都可能走向灭亡了!



这就是时间膨胀原理。这个原理意味着,光速其实可以认为是四维时空的分界线,当你光速飞行的那一刻,你将不属于四维时空,而你本身又是四维时空的一部分,所以你其实不再是你!

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