03.04 当一个人坐宇宙飞船以0.99倍的光速相对地球运动,一年后回到地球,是穿越到未来么?

TonyCY


这个问题应用到的知识点就是爱因斯坦狭义相对论的时间膨胀效应,爱因斯坦提出狭义相对论后打破了牛顿的绝对时空观,你我的时间可能因为运动速度的不同,最终导致时间流逝速度的不同。运动速度越快时间流逝速度越慢,当运动速度无限接近于光速的时候,时间无限接近于静止。有静止质量的物体运动速度理论上只能无限接近于光速,永远达不到光速。因此本问题中的设定虽然目前的科学技术水平不足以达到,但至少理论上是可以完成的。



自从爱因斯坦提出狭义相对论后,我们面对条件中给出的时间就要谨慎对待了,因为时间是相对的了,不再是绝对时空观了。问题中的一年后就可以有两个意思,第一个指的是地球上时间体系的一年后;第二个指得是飞船上时间体系的一年后。

对于第一种情景,一年后返回地球,就是来到一年后的地球,坐在飞船中的我们时间上并没有一年,要小于一年。而如果对于第二种情景,飞船中我们的时间过去了一年,那么按照时间膨胀公式进行计算,地球上大约已经过去了17年,这在某种意义上来说我们是去到了地球上的未来,我们用一年的时间去到了地球上17年后。
时间膨胀效应产生的后果和穿越时空还是有本质上的区别的。


科学黑洞


可以理解为穿越到未来。根据爱因斯坦狭义相对论的诠释,速度越快时间流逝速度就相对越慢,这就是“时间膨胀”现象。不过只有速度达到亚光速之后,时间膨胀才会非常明显,比如问题中的0.99倍光速,就必须考虑时间膨胀现象。而在我们生活中的低速世界,没有必要考虑相对论中的时间膨胀。

还有一点,问题中的“一年”应该指的是飞船内的时间,不然的话如果是地球上的时间就没有讨论的必要的。根据时间膨胀计算公式:

可以很容易计算出飞船以0.99倍光速飞行一年后再返回地球,地球上的时间并不是过去了一年,而是过去了7年之久,这就相当于你穿越到了地球的未来。7年时间或许不够明显,如果速度足够快,比如说0.9999倍光速甚至更高的速度,就会非常明显了,你会穿越到百年后的地球!

不过这种穿越并不是直接瞬间穿越到遥远的未来,只是利用时间的相对性穿越到未来,这种穿越有一个重要前提,那就是必须有参照系才有意义,也就是说飞船必须再次回到地球上才能感觉到时间膨胀效应,否则,如果飞船永远不回到地球,不管飞船的速度有多么接近光速,飞船上的人都不会体验到时间膨胀,当然也不会感觉到自己时间流逝速度有任何变化!

回到现实生活中,实际上即使生活在低速世界的人类,也一直在不断地穿越到未来,每个人都无情地走向时间箭头的未来,也只能穿越到未来,而不能回到过去!因为每个人都在同时穿越到未来,所以这种穿越并不是问题中所谓的“穿越”,因为没有合适的参照系,每个人穿越到未来的速度几乎没有任何区别!


宇宙探索


在这一问题上,要用什么公式计算,说一些看法,我们知道数学,物理公式很多,公式是一种复杂多变的过程经历推导出简单的计算方法。公式连接着过程,所以公式不是万能的,不能任意使用,公式的使用要受到过程的制约。

例如:(1)2+2+2+2+2+2+2+2+2=18。使用乘法公式,2✖️9=18。

(2)1+2+3+4+5+6+7+8+9=45。使用公式[(1➕9)➗2]✖️9=45。

以上两例说明使用公式必须与过程一至,(1)式的公式不能用在(2)式中,(2)式的公式也不能用在(1)式中。

在头条新闻中,在光速以下速度一般用字母v表示,光速用字母c表示,在题目中速度没有达到光速,只能用字母v表示,适用,速度v✖️时间t=距离S。公式。它和汽车,火车,飞机以及在相对论中光速x=ct,属于同一公式范围。为什么不能适用钟慢尺缩公式呢?

相对论Pdf17页课文:我们可以设想,在每一个这样的框架中,划出三个 互相垂直的面,称之为“坐标平面”(在整体上这些坐标平面共同构成一个“坐 标系”)。于是,坐标系 K 对应于路基,坐标系 K'应于火车。一事件无论在 何处发生,它在空间中相对于 K 的位置可以由坐标平面上的三条垂线 x,y,z 来确 定,时间则由一时间量值:来确定,相对于 K',此同一事件的空间位置和时间 将由相应的量值 x',y',z',t'来确定,这些量值与 x,y,z,t 当然并不是全等的。

PDF 54页 课文 :附录

一、洛伦兹变换的简单推导 [补充第 11 节] 按照图 2 所示两坐标系的相对取向,该两坐标系的 x 轴永远是重合的。在这 个情况下我们可以把问题分为几部分,首先只考虑 x 轴发生的事件。任何一个这 样的事件,对于坐标系 K 是由横坐标 x 和时间 t 来表示,对于坐标系 K’则由横 坐 x’和时间 t’来表示。当给定 x 和 t 时,我们要求出 x’和 t’。 沿着正 x 轴前进的一个光信号按照方程 或 x = ct x − ct = 0 (1),传播。由于同一光信号必须以速度 c 相对于 K’传播,因此相对于坐标系 K’的传 播将由类似的公式 x′−ct′=0 (2) 表示。满足(1)的那些空时点(事件)必须也满足(2),显然这一点是成立的, 只要关系 (x′−ct′)=λ(x−ct) (3) 一般满足,其中λ表示一个常数;因为,按照(3),(x−ct)等于零时(x′−ct′) 就必然也等于零。 如果我们对尚着负 x 轴传播的光线应用完全相同的考虑,我们就得到条件 (x′ + ct′)= μ(x + ct) (4) 方程(3)和(4)相加(或相减),并为方便起见引入常数 a 和 b 代换常数 λ 和μ,⋯,

假如某人拿着一个手电筒在坐标系K射出一束光,那么x=ct。[距离x=(速度)光速c✖️时间t],这个人在匀速行驶的火车上即坐标系 K'拿着手电筒射出一束光,那么x′=ct′。[距离x=(速度)光速c✖️时间t′]。这个人不能同时拿着手电筒在两个坐标系同时发射光,因为它是两个独立的事件,钟慢尺缩公式是用两个独立的事件调和,所以本题不符合钟慢尺缩公式。

顺便提一下,卫星导航系统也只符合K'坐标系,即在匀速行驶的火车上射出一束光,不符合钟慢尺缩公式的过程。


KongZWang


时间是个概念上的物理量,看不见摸不着,时间的计量是秒、分、时、日、月、年、世纪。秒的长度定义,“ 1967年,CIPM定义秒是铯133原子(Cs133)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。此秒定义一直维持至今。”

当物体以光速运动时,质量无限大,引力场无限大,基本粒子的运动放缓,秒的定义不变,因为所有粒子都变慢了,而所有东西都是基本粒子构成的,所以在场内是感觉不到时间被拉长的。在引力场外看,是场内秒的长度变长,场内物体处于慢动作状态。而处在场内看,是场外秒的长度变短,场外物体处于快进状态。

所以题目中一个人光速旅行,一年后回到地球,这个一年如果是地球时间,旅行者可能只觉得是一瞬间,就像是眯了一个盹儿。如果是旅行者状态的一年,回到地球已经几十几百上千年过去了。

这个场内场外的时间换算,还取决于加速到光速的时间。目前人类耐受加速度上限是9G,普通人承受2-3G的加速度,3G下加速到光速要大约116天。


atongboy001


99%光速飞船上的时间大概相对地球上的时间膨胀7倍,也就是飞船上过一年地球上过了7年。

计算如下

根据洛伦兹变换公式:

t' = t / √(1 - v^2/c^2),

把v = 0.99 c代进去,就得到

t' = t / √(1 - 0.99^2)

= t / √(1- 0.9801)

= t / √(0.0199)

= t / 0.141

= 7.09 t


一根会飞的玉米


科学上理论超越光速就可以回到过去,但是一直有个疑问,在我们生存的空间里算上时间是4维空间,时间是只有正向的,那么超越光速只能说是看到过去的光影,应该并不能真正回到过去吧。。。


龙子


我比较好奇,如果我以99%光速飞离地球,那么就相当于地球以99%的光速飞离我。那么到底是我穿越到地球的未来还是地球穿越到我的未来呢?


迈克尔赵赶驴


以光年为单位的距离,改变的是长度,并不是时间。你一去一回,假设来回速度一样,也就是半光年去程,半光年回程,到地球时,时间过去一年,某种意义上,穿越了一年,但换个角度看,你只是离开了地球一年而已!


凭阑静听潇湘雨


看这一年是对你来说的,还是地球来说的。对地球来说的,你一年往返,不考虑加减速等条件,你去的就是0.495光年处。如果以你为参照系,你以0.99的光速飞了1年,回到地球时,那地球确实过了很多年,你可以算是来到了"地球的未来"。具体你可以代入相对论公式算一下。


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