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30歲的宇航員以亞光速飛150年,他回到地球時(shí)是多少歲?

根據(jù)愛因斯坦的相對論,光速飛船是不會存在的,因?yàn)轱w船擁有靜質(zhì)量,這就使其無法被加速到光速(c),不然需要無窮無盡的能量。不過,飛船可以被加速到趨近于光速,由此將會產(chǎn)生巨大的鐘慢效應(yīng)。

假設(shè)地球上有一位年齡為30歲的宇航員,他乘坐亞光速飛船離開地球。那么,經(jīng)過150個(gè)地球年的飛行之后,再回到地球上,該宇航員的歲數(shù)是多少呢?

首先,需要強(qiáng)調(diào)的是,但凡談到相對論效應(yīng),需要明確某個(gè)時(shí)間是相對于哪個(gè)參照系來說。因?yàn)楦鶕?jù)相對論,不同參照系之間的時(shí)間流逝速率并非一致。

在這個(gè)問題中,亞光速飛船飛行150年,并沒有說明這150年是相對于哪個(gè)參照系的時(shí)間。如果選擇不同的參照系,結(jié)果將會大為不同。

第一種情況,如果這150年是相對于亞光速飛船參照系的時(shí)間,那么,宇航員所經(jīng)歷的飛行時(shí)間就是150年。因此,當(dāng)宇航員回到地球上時(shí),他的歲數(shù)已經(jīng)達(dá)到了180歲,這意味著他不可能活著回到地球上,除非他進(jìn)行了冬眠。

對于地球上的人來說,亞光速飛船的飛行時(shí)間又是多久呢?根據(jù)狹義相對論,這取決于亞光速飛船的速度(v)。亞光速飛船的時(shí)間(ΔT)和地球的時(shí)間(Δt)關(guān)系如下:

如果亞光速飛船的速度為光速的98.87%,對于地球上的人而言,飛船的太空之旅用了1000年的時(shí)間。也就是說,地球上的人會認(rèn)為宇航員的歲數(shù)已經(jīng)是1030歲。

第二種情況,如果這150年是相對于地球參照系的時(shí)間,并假設(shè)亞光速飛船的速度為光速的98.87%,根據(jù)狹義相對論的時(shí)間膨脹效應(yīng)公式可得,飛船上所經(jīng)歷的時(shí)間只有大約22年。因此,當(dāng)宇航員回到地球上時(shí),他會覺得自己的歲數(shù)只有52歲。

然而,當(dāng)年與該宇航員同時(shí)代的地球人早就不在了。因?yàn)楦鶕?jù)地球參照系,宇航員是在150年前離開地球,宇航員現(xiàn)在的歲數(shù)已經(jīng)達(dá)到了180歲。

由于這種時(shí)間膨脹效應(yīng)的存在,使得導(dǎo)航衛(wèi)星的原子鐘需要進(jìn)行校準(zhǔn),否則它無法與地面原子鐘同步,精確導(dǎo)航也就變得不可能。另外,利用這種效應(yīng),人類還可以實(shí)現(xiàn)飛向未來的時(shí)間旅行。只是這個(gè)未來不是自己的,而是別人的。

最后,要讓飛船在短時(shí)間內(nèi)加速到亞光速很困難,而且人類也無法承受如此巨大的加速度。更為合理的選擇是采用1g加速度的勻加速運(yùn)動,這樣在太空中的宇航員也能感受到相當(dāng)于1g的重力,從而讓宇航員能夠長期生活在太空中。并且經(jīng)過長時(shí)間的加速之后,也會產(chǎn)生非常顯著的時(shí)間膨脹效應(yīng)。

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