假如以光速離開地球一分鐘馬上返回,地球時間過去了多久?

先暫且不談你能不能達到光速,假設你能夠以光速飛行,不要說離開地球一分鐘了,哪怕是一秒鐘,甚至一瞬間,你也不可能再返回地球了,因爲地球早就不存在了,不僅僅是地球,甚至整個宇宙都不存在了。

爲什麼會這樣?

因爲你光速飛行的一瞬間,地球或者宇宙就過去了無窮遠的時間,實際上就等同於地球和宇宙都毀滅了,都不存在了,你當然不可能返回地球了。

既然宇宙都毀滅了,而你本身又是宇宙的一部分,當然你也不可能存在。這就產生了矛盾,矛盾的根源就在於之前的假設:你以光速飛行。這樣就可以倒推出光速限制:無論如何你都不可能達到光速,只能儘可能接近光速。

而愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,速度越快時間就越慢,當你的速度無限接近光速時,時間就會趨於停止。當然所謂的“時間停止”只是相對外部世界,你本身是無法感受到時間有任何變化的,必須有外部的參照系進行對比,你才能感受到時間的變慢。

這就是參照系的重要性。日常生活經驗告訴我們,萬物的運動和靜止其實都是相對的,都需要有參照系纔有意義。

舉個例子,你和朋友駕駛一輛小汽車在高速公路上行駛,時速爲100公里。對於靜止在地面上的我來講,你的速度很快。但在你朋友眼裡,你的速度爲零,因爲你一動不動。

因此,在判定一個物體是靜止還是運動時,必須有參照系作爲前提。其實這就是我們平時所講的“相對速度”,任何速度都是相對的,都是相對其他參照系而言。在不同的參照系下,物體的運動速度也是不同的。

速度的這種相對性,也非常符合人們的日常生活經驗,當然很容易被我們接受。

但是,當物理學家們對光進行深入研究時發現了奇怪的地方,無論他們怎麼測量光速,無論在任何運動狀態下測量光速,光速的速度始終保持不變。也就是說,在任何參照系下,光速都是恆定的,光速是絕對的。

光速的這種“霸道”行爲徹底顛覆了我們對速度的認知,很難被人們接受。但現實情況擺在那裡,讓我們不得不接受。其實這也表明了一點:人們的日常生活經驗很可能帶有侷限性,並不一定正確。

光速的這種絕對不變意味着什麼呢?舉個例子就明白有多反常了。

假設你以0.99倍光速去追趕一束光,在你眼裡,這束光的速度是多少呢?如果按照我們傳統的相對速度公式來計算,應該是0.01倍光速。

但事實並非如此,這束光在你眼裡的速度仍舊是光速,哪怕你以無限接近光速的速度去追趕這束光,在你眼裡這束光的速度仍舊是光速!

這其實就是光速不變原理。

而愛因斯坦的狹義相對論,正是建立在光速不變原理和狹義相對論原理的基礎上提出來的,利用這兩大原理,可以推導出狹義相對論中的所有基本公式,比如說質增效應,時間膨脹公式,尺縮效應公式等等。

而時間膨脹效應是被夥伴們提到最多的,今天討論的問題其實也是時間膨脹效應。

在牛頓的經典力學體系裡,時間和空間都是絕對不變的。不過愛因斯坦徹底否定的牛頓的絕對時空觀,認爲時間和空間都是相對的,都很有彈性,會隨着速度和引力的不同而發生相應改變。

當一個物體的速度越是接近光速,時間膨脹效應就越明顯。而如果一個物體的速度達到光速,比如說光子的速度就是光速,那麼時間就不存在了,也可以通俗理解爲“時間靜止不動”了。

舉個例子,假設你乘坐一艘飛船,飛船的速度非常接近光速,你本身是感受不到時間膨脹的,你感受到的只是自己的本徵時間。何爲本徵時間?通俗來講就是“裝在自己口袋裡的鐘表顯示的時間”,而每個人對本徵時間的感受都是一樣的。

也就是說,飛船裡的你自身感受,與在地球上的感受沒有任何區別。如果你觀察到飛船外面的世界,會發現外面世界的時間流逝速度加快了,就像我們看電影時,對電影進行快進操作一樣,外面的世界在不停地“快進”,快進的速度取決於你的速度到底有多快!

根據時間膨脹公式,很容易計算出來時間與速度的關係。速度越是接近光速,時間膨脹得越厲害。

當你的速度爲0.5倍光速時,時間膨脹了大約1.15倍,並不是很明顯。

當你的速度達到0.99倍光速時,時間膨脹了大約7倍,已經非常明顯了。

而如果你的速度達到0.99999999999999倍光速時,時間就會膨脹大約707萬倍,也就意味着,你在飛船上的一分鐘,地球上已經過去了707萬分鍾!

能夠看出,只要你的速度足夠接近光速,時間膨脹效應就可以無限大。結果就是,即便你只是離開地球一分鐘,哪怕是一秒鐘,地球時間就可能過去了無限久。不要說地球了,連宇宙早就毀滅了。

這或許就是大自然限制光速的原因所在。不要以爲無限接近光速飛行就很爽,甚至誤認爲“光速飛行就可以永生”。實際上無限接近光速飛行不但不能永生,甚至有可能死得更快。爲什麼?

因爲無限接近光速飛行意味着,你的一分鐘,就很可能意味着宇宙時間過去了無限久,你會感覺到宇宙一瞬間就走向終結了。既然宇宙都毀滅了,你當然也必然死亡,因爲你也是宇宙的一部分!

除非,你在無限逼近光速的時候,脫離了四維時空,到達更高維度的時空,那又是另外一個故事了!高維度時空過於科幻,這裡不做討論了,免得有“民科”的嫌疑!

完!