2020-01-08 22:26:29 佚名

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根据爱因斯坦的相对论，光速飞船是不会存在的，因为飞船拥有静质量，这就使其无法被加速到光速（c），不然需要无穷无尽的能量。不过，飞船可以被加速到趋近于光速，由此将会产生巨大的钟慢效应。

假设地球上有一位年龄为30岁的宇航员，他乘坐亚光速飞船离开地球。那么，经过150个地球年的飞行之后，再回到地球上，该宇航员的岁数是多少呢？

首先，需要强调的是，但凡谈到相对论效应，需要明确某个时间是相对于哪个参照系来说。因为根据相对论，不同参照系之间的时间流逝速率并非一致。

在这个问题中，亚光速飞船飞行150年，并没有说明这150年是相对于哪个参照系的时间。如果选择不同的参照系，结果将会大为不同。

第一种情况，如果这150年是相对于亚光速飞船参照系的时间，那么，宇航员所经历的飞行时间就是150年。因此，当宇航员回到地球上时，他的岁数已经达到了180岁，这意味着他不可能活着回到地球上，除非他进行了冬眠。

对于地球上的人来说，亚光速飞船的飞行时间又是多久呢？根据狭义相对论，这取决于亚光速飞船的速度（v）。亚光速飞船的时间（ΔT）和地球的时间（Δt）关系如下：

如果亚光速飞船的速度为光速的98.87%，对于地球上的人而言，飞船的太空之旅用了1000年的时间。也就是说，地球上的人会认为宇航员的岁数已经是1030岁。

第二种情况，如果这150年是相对于地球参照系的时间，并假设亚光速飞船的速度为光速的98.87%，根据狭义相对论的时间膨胀效应公式可得，飞船上所经历的时间只有大约22年。因此，当宇航员回到地球上时，他会觉得自己的岁数只有52岁。

然而，与该宇航员同时代的地球人早就不在了。因为根据地球参照系，宇航员是在150年前离开地球，宇航员现在的岁数已经达到了180岁。

由于这种时间膨胀效应的存在，使得导航卫星的原子钟需要进行校准，否则它无法与地面原子钟同步，精确导航也就变得不可能。另外，利用这种效应，人类还可以实现飞向未来的时间旅行。只是这个未来不是自己的，而是别人的。

最后，要让飞船在短时间内加速到亚光速很困难，而且人类也无法承受如此巨大的加速度。更为合理的选择是采用1g加速度的匀加速运动，这样在太空中的宇航员也能感受到相当于1g的重力，从而让宇航员能够长期生活在太空中。并且经过长时间的加速之后，也会产生非常显著的时间膨胀效应。

火星一号

人类并不能达到光速，所以问题可以改一下：如果30岁的宇航员乘坐接近光速飞船飞出150个地球年，再回到地球会是多少岁？

01 时间的相对性

时间是有相对性的，不同参考系和地点的时间对比起来才有意义。

如果只看自身的参考系，则时间永远是那样均匀。

对你来说，感觉不到自己的时间的流逝，你的生命活动、你的衰老过程都是速率恒定的。

在你自身的参考系中，你能活多久，就只能活多久——人类的寿命，不过百年。

02 150个地球年，指的是哪里的？

根据上面的描述，我们必须弄清楚一个问题：

这150个地球年，指的是哪里的？

是飞船上的?还是地球上的？

假设以光速的90%飞行，那么时间会变慢大约2.3倍。（不考虑加速减速）

所以，如果是地球上150年，那么飞船上过了大约65年；

如果是飞船上过了150年，地球上过了约350年。

所以，前一情况下，宇航员95岁了；后一种情况下，宇航员就380岁了！

宇宙物理学

对于地球上的人类来说，应该有150+30=180岁。但对于宇航员本人来说只有32.2岁（忽略掉启动、调头和减速降落），没错，他没多大改变。

这是根据爱因斯坦的狭义相对论里的双生子谬论计算得出：一对双生子，一个人A以近光速飞离地球做太空旅行，另一个人B仍然留在地球；当飞离地球人的回到地球时，他会比留在地球上的另一个人更年轻。假设A驾驶的飞船非常接近光速c（v=0.999999c），当A回到地球与B会合时，他的兄弟早已死去，因为地球上已过去150年了。

引用公式T=t/sqr（1-b²）（移动时钟时间膨胀现象），地球作为近似惯性系；A经历加速与减速过程，为变加速运动参考系。不管在哪个参考系，A都比B年轻，这是爱因斯坦交代得很清楚的问题。在这里分析很复杂，牵涉到很多知识和公式。

有人认为爱因斯坦的相对论互相矛盾，这是误解，如果用时空图和世界线来分析就会简单得多。

弄潮科学

简单说，34岁。怎么算的，看正文。

图示：光速飞行

首先达到光速时，时间就会停止，所以宇航员回到地球后到底几岁，关键看飞船究竟花了多长时间加速和减速。

宇航员的年龄就是30+飞船两次加速和减速的时间。

1、离开地球时加速到光速的所需要的时间

2、在准备回返地球时从光速状态下减速所花的时间，为了简单让我们假设需要将速度降到零，然后回头

3、再次加速到光速所花的时间

4、靠近地球时减速所花的时间

虽然，光速是不可能达到的，但让我们不妨计算一下，以人体能承受的最高加速度，到底需要多长时间来进行加速和减速吧。根据现有资料，人体承受的最高正加速度的世界纪录为46.2G，最高负加速度为35G，这些宝贵资料来自一位勇敢的医学博士，在1947~1954年间，在美国新墨西哥州的一系列可怕的实验，这些实验为设计空军逃生弹射装置等提供了关键参考数据。

图示：疯狂医学博士约翰・保罗・斯塔普用自己来测试人体极限。

图示：六个火箭喷口，制造出世上最快加速度46.2G，它让斯塔普博士获得了世界上速度最快的人的称号。

眼球差点从眼眶里脱落，导致实验者失明了两天，因为视网膜差点脱落。在这些疯狂的实验中，博士弄断过背，胳膊和手腕，还为此掉了6颗牙，并因此患上了疝气，这是肠子从腹股沟薄弱之处膨出，但这是极度加减速造成的糟糕后果，但他还是活了89岁。

图示：超高速摄影机拍摄急停。1954年，约翰・保罗・斯塔普用1.4秒完成了从每小时200公里到完全静止的急刹车的疯狂实验，这个实验让他失明了两天，实验用了四只反喷的火箭来完成。

让我们以这位疯狂博士为范本，为了简化计算过程，让我们统一用30G的加速度，简单计算将一艘飞船从零加速到光速需要多长时间，并且设1G=10米/平方秒，即总加速度为300米/平方秒，真空光速为299,792,458米/秒，也让它略等于300,000,000米/秒，这意味着只需要加速1,000,000秒，就达到了光速，当然减速也需要同样长的时间，就能从光速降到零。而加减速一共会发生四次，所以也就意味着4,000,000秒，4,000,000/3600=111.111小时 = 46.3天。

好了，答案是宇航员自己只经历了46.3天。

地球上经历300年，因为是飞出去150个地球年，再飞回来地球还得过150年。

但30个G实在太夸张，我们也不是这位为了科学可以献身的勇士。而且这样夸张的加速度也不是长期承受的，仅仅是一个瞬时纪录而已。所以，对于我们大多数凡人来说，还是用一种温柔的方法来加速算了，有多温柔呢，就相当于你呆在地球上所承受的重力来加速和减速，即大约1个G！这是肯定可以长期承受的正或负加速度，那么需要多久才能加速到光速呢，很巧呢，大约只需要一年的时间，当然从光速减速到零，也需要同样多的时间呢。

因此加减速需要花四年的时间。

宇航员回到地球时的他的年龄是34岁。

图示：怎么给宇航员提供重力一直是制约宇航员长期太空生活的一个大问题。

但如果可以用1G的加速度不停的加速，那这个问题就消失了，加速一年时间就相当于在地球上呆了一年。

图示：通过旋转利用离心力来代替重力是科幻片中的常见解决方案，唯一的问题是，需要一个很大的圆环来缓慢旋转，否则宇航员会出现各种不舒服的感受。

但是光速毕竟是达不到的，如果宇航员是用0.9倍光速前进呢？那么他回到地球上时又是多大年龄呢？

由于加减速需要消耗的时间实在太少，所以先忽略不计。

现在，我们只考虑狭义相对论带来的时间膨胀效应。先看下面的公式。

图示：狭义相对论中的时间膨胀公式，t为运动的一方所经历的时间，t'为处于惯性系中静止不动的一方所经历的时间。

让我们来计算一下，当V = 0.9C的时候，t=1年，那么t'是多少呢？

可以发现t'^2=1/(1-0.81)=5.26 t'=2.29年，也就是膨胀系数大约2.3倍。

反推一下就是如果t'=150年，那么宇航员经历的时间是150/2.29 = 65.5年。

即当宇航员经历了65.5年时，地球就经历了150年。

现在他掉头回到地球，还需要再经历65.5年。

所以，宇航员的年龄为：30+2*65.5 = 161岁。

但正常情况下，宇航员大概没法活着回到地球了呢。

图示：根据狭义相对论，时间膨胀效应再逼近光速时才会陡然上升，达到光速时，时间停止流逝。

裸猿的故事

要想搞清楚这个问题，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？

（飞船）

如果是，那代表他已经死了，并且他处于绝对零度的状态。

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，150年后他要是还能幸运地走下飞船，那么他的年龄会是180岁。

你觉得他能活到180岁吗？

老粥科普

如果30岁的宇航员乘坐光速飞船飞出150个地球年，再回到地球会是多少岁？

观点：

如果飞船达到光速，地球时间和飞船时间同步，地球过去150年，飞船里的时间也过去150年，宇航员180岁。飞船达不到光速，但无限趋近于光速，宇航员还是30岁。

钟慢尺缩效应

根据爱因斯坦的狭义相对论，飞船的速度太快会出现“钟慢尺缩”效应。意思是飞船高速飞行时，飞船里有个表，地球上有个表，两个表会对不上。假设地球上有个千里眼能看到飞船上的时钟会发现这个时钟走的比地球上的时钟慢。

在地球上的观察者看来除了时钟，一切事物都相对变慢。比如说飞船上的人正在练武术。

飞船里是这么练的↓

地球上的观察者看到的是这样的↓

光速不变原理

狭义相对论是爱因斯坦基于光速不变原理推导出来的。光为一种电磁波，光速不变原理又是通过麦克斯韦电磁理论中电磁波的速度为常数得出，并且电磁波不受时间和空间所影响，后来迈克尔逊——莫雷实验又通过实验证明了麦克斯韦理论，所以光速不变原理是已经被证实的。那么爱因斯坦狭义相对论毫无疑问是正确的。

飞船达不到光速

质能等价理论是爱因斯坦狭义相对论的最重要的推论，通过这个推理可以知道质量和能量是等价的。物质的质量越大，能量就越大。相反能量越大，质量就越大。

通过质增效应，可以知道如果静止的质量为m0的物体的速度越大，动质量m越大。

质增公式

当飞船速度越快，质量就越大，质能等价，需要的能量就要越大。当v=c时，分母为0时除非分子m0同时为0，否则不成立。相反任何静质量为0的物质，能达到光速，不能低于光速，只能是光速。飞船有质量所以达不到光速，除非相对论错了。

假设飞船达到光速回到地球多少岁

因为飞船达到了光速，所以爱因斯坦的狭义相对论错了，那么就不能用狭义相对论来计算。也就没有相对时间变慢的问题，地球时间和飞船时间是同步的，宇航员要是还没有挂掉，就是：30+150=180岁

还有一种科幻片的可能性：

科幻片宇宙飞船里是有休眠舱的，人往里一躺，把身体冷冻起来，睡觉一觉醒来就是N年。30岁上飞船开始睡，中间起来溜达溜达再睡，150年后醒来还是30岁。这种技术在地面上实现了把得了癌症的将死之人冻起来，但是目前还没有成功复苏的案例。将来癌症问题解决了能不能让冻人苏醒谁也不知道。

飞船未达到光速，趋近于光速

根据狭义相对论，钟慢尺缩效应，当物体高速行驶，相对于外在的观察者来说，飞船里的时钟会变慢，时间膨胀，飞船尺寸变小。

当速度接近于光速，当飞船到达地球上摆放时钟过去的时间 t' 约为150年，光速为C带入洛伦兹时间变换公式计算可以得出

飞船里的时钟过去了：

当速度为0.99c ，t=21年

当速度为0.9999c ,t=6.7年

当速度为0.999999c ,t=0.21年

当速度为0.9999999c ,t=0.067年

当速度为0.99999999c ,t=0.021年

当速度为0.999999999c ,t=0.0067年

飞船越趋近于光速，飞船里的过去时间越短，一去一回对于地球来说过了150年，对于飞船里的人来说只是一瞬间。

这里面不包含飞船加速的时间和减速的时间。

科学美少男

这个问题其实本身就有点问题，首先就是飞船的速度只能无限接近光速而不能达到光速，其次如果宇航员是正常人类，那么他飞50年就会老死，根本不可能飞150年再回来。

鉴于真正的光速飞船不可能存在，因此宇航员乘坐的光速飞船只能无限接近光速，这意味着尽管时间膨胀效应会很厉害但时间并不会真正停下来，并且时间膨胀效应只是低光速下的我们看到的景象，在近光速运动的宇航员那里时间仍然是以正常速度流逝的，也就是说宇航员一样会老会饿会死。

一个正常人类宇航员是不可能驾驶光速飞船超过平均寿命的，以往我们听到的那些“光速飞船飞一天地球上过一年”的说法虽然没错，但那是因为光速飞船只飞了一天，要是让它飞80年100年的话尽管地球上会过36500年，但宇航员早就老死了。

在讨论类似的问题时首先要把参考系搞清楚，题主所说的150年是地球年，而宇航员的寿命很明显不可能达到150地球年，因此单单从这个角度来看该问题是没有意义的。

想达成“飞船一天地球一年”的目的就需要飞船速度达到0.999996247倍光速，这样一来宇航员只需要在飞船内待150天，地球上就会过去150年。

宇宙探索未解之迷

题目没有交代明白这150个地球年是相对于哪个参考系的时间。咱们分两种情况分别讨论一下。

一，如果是相对光速飞船参考系时间的150地球年

那这个宇航员就是至少30+150+150=330岁了。前提是他还活着，且他乘坐的不是光速飞船，这个原因有二：

1，首先光速飞船是不可能存在的，相对论告诉我们：任何静质量不为0的物体是不可能达到光速的，这就是光速限制原理，爱因斯坦狭义相对论有个质量效应公式能够解释的很清楚：

其中，m为物体的质量，m0为物体的静质量，V是物体的运动速度，c为光速。如果Ⅴ→c，则分母→0，那么m→+∞，这样全宇宙的能量都不够驱动这个无穷大质量的物体，所以从理论上阐明了光速是不可能达到的。而在实践中也充分证明了这一点：

在高能物理中，人们为了验证新理论以及得到理论所预言的新粒子，往往用对撞机将两个粒子进行加速然后互相撞击，以期了解物质的内部结构，理论上对撞机越大，能量级别就越高，粒子速度越大，撞击产生新粒子的概率越大。可人们发现，无论多大的对撞机都不能把粒子加大到光速。

周长27公里的欧洲强子对撞机

要想让物体达到光速，除非无限大的能量，而这是不可能的。因此光速飞船是不存在的。

2，就有人不服气：怎么就不能达到光速，达到光速能咋的？那我们就延伸一下，如达到光速会如何：随着飞船速度的增加，周围时空越来越弯曲，当达到光速，现存的时空无限弯曲――时空不存在了，宇宙对于宇航员和飞船来说崩坍了。因此光速飞船是没有时间的，也就没有所谓的150年。这就是他不能乘坐光速飞船的原因。

结论：只有亚光速飞船才有时间，宇航员经历来回300年后就是330岁了，而地球不知过了多少年了。

二，如果是相对于地球参考系的150年

目前人的寿命只有百岁左右，看题主的意思，这150年很可能是相对于地球的时间。下面咱们再来答一答。上面已经说了，光速飞船是不可能的，如达到光速，飞船和人就不以时空方式存在了。说白了，它们就成为光了。时间对于光是毫无意义的，1秒、150年，甚至138亿年对于光来说是一样的。所以尽管地球上过了300年，但这个宇航员回来时还是30岁，前提是他还存在（应该说他已经不以时空方式存在了，从这个意义上说，他连30岁也没有了）。