假如飛船速度是百分之99.999999光速,去100光年外的星球,幾年能到?飛船上的人感覺過了多久到的?地球上時間過了又是多久?:這個問題的答案很簡單,在飛船的速
這個問題的答案很簡單,在飛船的速度近乎能夠達到光速的時候,到達一百光年的時間根據(jù)最簡單的t=s/v,而s是路程,路程是100光年,速度是3乘以10的9次方米每秒,單位要統(tǒng)一,一光年是光走一年的距離,大約是96400億公里,而每公里等于1000米。即100光年大約是9.64乘以10的17次方米左右,根據(jù)速度公式就可以求出時間。大約是秒。而一年大約是3.15乘以10的7次方秒,
即飛船光速達到100光年之外的距離大約需要100年左右。
實際上,上述算法很蠢,原因很簡單,達到近乎光速,走完光走的一百年距離時間當然是一百年。但這是相當于地球人而言的。根據(jù)相對論的內(nèi)容來說,沒有任何物質能夠達到光速,理論上都不可能,但是通過實驗可以知道在人類的科學理論上可以達到光速的99.9%,實際上現(xiàn)實中也有可以加速到99.9的粒子加速器,但這只是粒子,而不是任何人類能夠控制的物質,但在這個加速器里面粒子時間確實變慢了。即相對論所說的,速度越快,時間越慢,因為光速是不變的,即速度是一定的,在相對變化的距離和時間來看,同樣的距離里,速度越來,其時間越慢,這個時間是相對的,如果達到光速,則是在光速下的時間概念和地球上的時間概念完全不同。相當于“天上一天,地上一年”
問題回到原來的上面,如果人類真的造出了達到光速99.9%的飛行器,那么加速到光速需要5到6年的時間,飛行器里面的人時間會變慢,但并不是一瞬間,如果用6年的時間加速到光速的99.9%,那么相對于飛行器里面的人來講,穿越銀河系只需要85年。而銀河系的寬度大約是10萬光年,這么看來,到達一百光年之外的時間只有大約0.085年,大約是幾天的時間,再次強調這是相對飛行器上的人來說。
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愛因斯坦的狹義相對論指出,運動速度不同的觀察者測得的時間流逝速率是不同的,速度越快的觀察者,測得的時間流逝速率越慢。如果飛船以0.99999999c的速度相對地球運動(假定勻速),飛往100光年之外的星球,在地球上的人看來,這個時間就是t=s/v=100/0.99999999≈100.000001年。
根據(jù)狹義相對論,飛船上的人測得的時間與地面相差了一個洛倫茲變換√(1-v^2/c^2)。因此,在飛船上的人看來,以0.99999999c的速度飛行100光年所需的時間為:100.000001×√(1-0.99999999^2)≈0.014142年,折算成天數(shù)為:0.014142×365.25≈5.17天(天文學上使用儒略年)。
在地球上的觀察者看來,這趟100光年的太空之旅需要飛行大約100年的時間,但飛船上的觀察者只會感受到5.17天的時間,兩者差別巨大。這是因為飛船的速度極高,非常接近光速,由此產(chǎn)生的時間膨脹效應非常顯著。
雖然飛船上的人只用5.17天的時間飛到100光年之外,但這與光速不可超越并不矛盾。因為飛船的速度很高,長度收縮效應非常明顯,所以表現(xiàn)出的就是時間變慢。通過洛倫茲變換,可以保證光速在任何慣性系中都是一個恒定的常數(shù),這就是狹義相對論的光速不變原理。
此外,如果飛船到達100光年之外的星球后,再掉頭飛向地球,當他們到達地球時,地球上已經(jīng)過去了200年,而他們才過了10.34天,兩周不到的時間!這就相當于飛船上的人實現(xiàn)了時間旅行,去往了未來的地球。事實上,狹義相對論的時間膨脹效應已經(jīng)被應用于實際生活中,其中最著名的就是GPS衛(wèi)星校準。在地球軌道上高速飛行的GPS衛(wèi)星,其攜帶的時鐘走得要比地面上慢,所以天地之間的時鐘需要進行校準才能同步。
根本不需要幾年,只需要幾天而已,當然這只是對于飛船駕駛者而言的,大致的計算過程如下:
根據(jù)狹義相對論中提到的尺縮效應可以知道,運動中的尺子的空間長度變短,且運行的速度越快,空間長度就越短。
也就是說,當這艘飛船是以99.999999%光速的速度飛行時,原本的100光年的距離在飛船的實際行駛中就會變短,也就是說,飛船的實際航行距離不是100光年,而是0.0141421光年。
具體的計算方法是:V=0.99999999c,L0=100光年,L即為你要求得的飛船實際航行距離。
既然你求得了飛船實際的航行距離,那么再拿實際航行的距離除以速度就可以得到具體的時間了,即0.014142135年,換算成天數(shù)為5.162天。
地球上的時間該多少還是多少,沒有變化,還是100年,飛船中的人感受到的時間變化為5.162天。這就是物體在高速運動狀態(tài)下所體現(xiàn)出來的極大不同。
呵呵,那位火星一號的回答有點意思,不過需要指出的是,回答中出現(xiàn)了自相矛盾的地方:“…但飛船上的觀察者只會感受到5.17天的時間,…雖然飛船上的人只用5.17天的時間飛到100光年之外……”看見沒有,前面是‘觀察者只會感受到5.17天的時間’,后面是‘雖然飛船上的人只用了5.17天的時間’,前后矛盾。 筆者的觀點,如果真有接近光速的飛船從地球到100光年外的星球旅行,那么飛船中的人應該是‘感受到’飛船只用了5.17天的時間到達那個星球,而不是‘只用了’5.17天的時間到達。試想一下,既然光從地球到達那個星球都得100年的時間,那么接近光速的飛船到那星球不是得100年多一點點么?還有,如果觀察者真的感受到只用了5.17天的時間到達個星球,那么他在飛船上實際上也是生活了一百個地球年的,不可能在飛船上僅僅生活了5.17天,否則,他在地球與那個星球之間多往返幾個來回,再回到地球時,豈不是已經(jīng)上千歲了?所以,按照地球的壽命估算,假如他最多能活90歲,他上飛船的時候為30歲,那么從他離開地球的那一刻算起,應該是他感覺在飛船上僅僅過了三天的時候,他就差不多感覺自己不行了,要死了。他在飛船上是絕對沒有機會感受第四天以后的樂趣的,因為感覺在第三天的時候他就已經(jīng)活了地球六十年的日子。 還有,該火星一號回答者說,‘因為飛船的速度很高,長度收縮效應非常明顯,所以表現(xiàn)出的就是時間變慢!诖斯P者不敢茍同,筆者一直認為在宇宙中任何地點的時間都是不會變慢的。所謂時間變慢,只是一種錯覺。還是拿光速飛船上的人來說,當飛船以光速離開地球的時候,比如,這個時候他看到他5歲的兒子在揮手向他送別,那么,飛船到達那個星球的時候,他看到的應該還是他5歲的兒子在揮手向他送別這個畫面。其實,這個時候,假如他兒子如果沒死的話,都已經(jīng)105歲了。也就是說,他經(jīng)100年到達那個星球的時候,回頭看到的地球還是100年前的模樣,但地球卻是他離開地球時100年后的樣子了。這是他感覺時間停止的例子。但反過來就不一樣了,假如他離開地球的時候看到100光年遠的那個星球剛好火山爆發(fā),那么這個火山爆發(fā)肯定是一百年前發(fā)生的(因為光從那個星球到地球也得100年時間),他坐光速飛船100年后到達那個星球,也就意味著他登陸那個星球的時候,距那個星球的火山爆發(fā)那一刻已經(jīng)過去整整兩百年了,而實際上呢,他在飛船里的時間只過去了正好100年,這說明什么?說明他的視覺正以正常影像兩倍的速度“快進”,換句話說,那個星球發(fā)生的一切變快了,快的頻率是正常時間的兩倍,這跟我們看影視劇快進是一個道理,不過速度正好是正常播放速度的兩倍而已。 所以,思維要靈活一點,不要一想到光速旅行就是時間變慢或者停止。那要看以光速旅行的人是向前看還是向后看了。向前看,視覺是正常影像的兩倍快進,好像時間變快了;向后看,視覺上的影像是定格的,好像時間停止了。而實際上呢,假如此時飛船里有原子鐘的話,那么這個原子鐘行走的時間跟地球上原子鐘行走的時間應該是一模一樣的。
如果您問的是尺縮效應,那么百分之99.999999光速等于299792455米每秒,100年=36525天
按公式I'是飛船參考系時間,
I是地球觀測者時間,v是要設定的飛船速度不能比光速C大,一年是365.25天,這樣就可以很快得到答案了。
看了幾個回答和評論,實際上答案已經(jīng)很明確了的,之所以會出現(xiàn)如此多的爭議,還是對“時間”的理解存在差異!
實際上,把提問者的問題換一種方式來提問或許更容易理解:假如飛船以百分之99.999999光速飛行50光年遠,然后立刻再以同樣的速度返回地球(假設可以做到),飛船上的人會看到什么樣的地球?
如此問題很多人理解起來會容易,也不會被光速和時間的相對關系繞來繞去,最終把自己都繞暈了!
愛因斯坦的相對論已經(jīng)告訴了我們,速度會讓時間變慢,注意,這里的變慢是相對的,并不是絕對的!也就是說,在地球上的你看到接近光速飛行的飛船里面的人都會以慢動作上演,比如說,你平時打個噴嚏就一秒鐘的事,但看到飛船里的人打噴嚏可能要話費一分鐘甚至更長的時間!這就是時間的相對性!理論上,如果飛船以光速飛行,你看到飛船上的人完全處于靜止狀態(tài),時間停止!他做的每一個動作都會拉伸到無限長時間!
明白這點,就知道飛船以接近光速飛行50光年的距離再返回地球會看到什么了,飛船上的人會“變年輕”,相對于地球上的“年輕”。而且如果飛船上的人飛行時能看到地球上發(fā)生的一切,會發(fā)現(xiàn)地球上的一切都會以類似電影中快進的方式運行著!
這種時間膨脹的效應也真真實地出現(xiàn)在我們每天的生活中,GPS定位系統(tǒng)就是利用的這種效應,科學家們必須調整衛(wèi)星上的時鐘,否則GPS會完全失效,我們會被導航到溝里去!
說到這里,答案應該很清楚了,在地球上的你看來,飛船用了100年時間飛行了100年,而對于飛船上的人來說,他花費了更少的時間(具體多長就不計算了,其他回答已經(jīng)給出了答案),這也是我為什么飛船上的人回到地球后會發(fā)現(xiàn)地球上的人都變老了,而自己依舊年輕!
答:這個速度下,時間縮短7071倍,不考慮加速和減速過程的話,100年就變成了5.17天。
狹義相對論指出,相對速度會影響時間流逝的快慢,叫做“鐘慢效應”,公式如下:
固有時間:指在某一參考系下,同一地點前后發(fā)生兩件事的時間間隔,又稱之為“原時”;在上面例子中,對應于宇宙飛船中經(jīng)歷的時間。
但是飛船要達到如此高的速度,也是非常難的,需要輸入非常大的能量。
對于其他速度的比較,見下表:
其中起關鍵作用的,是公式中的1/√[1-(v/c)^2],這叫做洛倫茲因子(γ),和速度v的變化趨勢如下圖:
我們可以看出:
(1)當速度v<<c時,洛倫茲因子γ≈1;
(2)當速度接近c時,洛倫茲因子γ增長非常快;
好啦!我的答案就到這里,喜歡我們答案的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!
答案是比較確定的,若大家有任何疑問都可在評論中提出。按照公式計算,飛船只需要5.17天即可到底該星球。下面詳細說明,保證解決您的所有疑團。
首先必須假設該飛船是作的勻速直線運動,所以討論的都僅僅是狹義相對論效應。什么叫勻速直線運動,準確地說是慣性參考系,可以這樣理解,飛船中的人感覺不到加速。比如坐公交時,急剎車,乘客就能感覺到加速。
所謂飛船以近光速飛行,是指飛船相對于地球上的人的速度。拋開參照物討論速度是無意義的。在飛船上的人,他如果不看外面,是完全感覺不到自己的速度的。這就好比我們完全感受不到我們地球在高速自轉和公轉一樣。
飛船用了5.17天到達那個星球,在這5天多中,飛船上的人感覺不到自己的鐘變慢了,也感覺不到衰老變快或變慢。它只是知道過了5天多,他就從地球飛到了那個星球。
在地球所在的參考系看來,飛船從飛過地球到到達那個星球,總共用了接近100年的時間。什么叫“所在的參考系”,這是重點,圈起來,要考。因為地球人是看不到遙遠的星球發(fā)生的事的,一方面他視力沒有那么好,另一方面,光傳播是需要花時間的。所以正確的做法是,地球人會委托那個星球上住的人來觀察,星球人看到飛船掠過星球的時刻減去地球人看到飛船離開地球的時刻,即是所用時間,大約是100年。地球人和星球人共同組成一個參考系。
這里有兩個重要假設,就是地球人和星球的時鐘是嚴格對時的。關于如何對時,可以用中點光源法,也可以用以很慢的速度把一只對好時間的鐘,慢慢移動到星球(可能需要幾萬年)。第二個假設地球和星球相對靜止,即相互之間沒有運動。
我們假設地球人和星球人是雙胞胎(當然這是不可能的,因為跑過去可能要幾萬年,如果以近光速飛行,則肯定會打破時間系統(tǒng)。姑且這樣假設吧)。地球人在看到飛船離開地球時,他10歲,那么星球上那個雙胞胎看到飛船經(jīng)過星球時,已經(jīng)是110歲了。而兩個人聲稱看到飛船上的人時,卻發(fā)現(xiàn)飛船人沒有變老,大約只“老”了5天。順便說一下,星球人坐高速交通工具回去告訴地球人這個結果,地球人在得知結果時,已經(jīng)是至少100年后了,那時候,地球人至少是210歲。
上面啰啰嗦嗦說了半天,大家千萬不要覺得麻煩,事實就是如此,必須異地測量,凡是認為地球人可以看到飛船人的所有動作的,都是沒有完全理解參考系的精髓。理解了異地測量的必須性,也就可以解決你以前的多數(shù)謎團了。同一時間,同一地點,測量才準確。否則,那就變成牛頓力學中的絕對時空觀了。
重點又來了,飛船人眼中看到了什么?經(jīng)過地球時,看到地球飛快地離自己遠去,地球的速度幾乎達到了光速。他覺得他自己是靜止的,地球正在以近光速運動。這也正是運動的相對性,地球人聲稱飛船人近光速,飛船人又何嘗不是認為地球人在作近光速運動呢?如果飛船人視力足夠好,或者用高速攝像機為地球照個相,他竟然發(fā)現(xiàn)地球不是圓的。地球在運動方向上被壓扁了,地球成了一個很扁很扁的橢圓。這就是運動的尺縮短。狹義相對論的基本常識。飛船人看到地球到月亮的距離只有54公里,而地球人聲稱地球到月亮有384000公里。當然運動是相對的,在地球人和飛船人擦肩而過的瞬間,地球人覺得飛船人好瘦好瘦,比竹竿還細。飛船人看地球人也同樣細的像竹竿。
為什么運動的尺縮短?有很多理解方法。這里給出其中一種。飛船人眼中的世界是:地球離自己遠去,星球高速地往自己沖過來,越來越近。飛船人在經(jīng)過地球時,往星球方向發(fā)出一束光。你猜光多長時間到達星球?因為星球不斷接近自己,不斷拉進距離,所以光最后達到星球的距離就不需要100年這么久了。結果就是,地球和星球構成的參考系認為光需要走100年才到星球,而飛船參考系認為,光只需要走5天多就可以到底星球。
總之,由于運動的尺縮短,飛船人感覺地球到星球的距離遠遠沒有100光年那么遙遠。所以他5天多就飛到了地球人所在參考系認為的100光年那么遠的地方。
最后一個問題,飛船人是否比地球人衰老的慢,比方說,是否地球人過了100年,飛船人才老5天。在狹義相對論中,即上面的假設中,這是絕對不可能發(fā)生的。因為本文開始接假設,飛船是勻速直線運動,也就是直線往前沖,永遠也回不了頭了,它永遠也不可能和地球人手拉手比較年齡了。注意,比較年齡必須在同一個地點,相對靜止。
聰明的你,可能馬上就想到了,難道飛船不能變通一下,掉頭再回到地球嗎?當然可以,但那就不是狹義相對論所可以解釋的了,因為掉頭過程中,產(chǎn)生了加速度。有加速度的系統(tǒng),就要用到廣義相對論。結論是,飛船的人回到地球,變得更年輕了。但是,請務必注意,他之所以掉頭回到地球變年輕,絕對不是因為他的近光速運動,而是因為掉頭所產(chǎn)生的強加速度。他是以加速來獲得時間絕對延緩的。這個加速成本太大了,飛船人不得不接受非常強大的超重效果,會感覺自己變得好重好重,頭部嚴重失血。做過過山車吧,體會一下。飛船人若要使自己哪怕年輕10歲,所需要承受的加速,估計即使連全世界頂級的飛行員也承受不住。所以要年輕,是要代價的,這個代價不是高速,而是高加速。
根據(jù)愛因斯坦俠義相對論,光速有兩個基本特性,一是速度不變,二是光速極限。
光速不變就是說光速在真空中每秒鐘為約299792458米/秒,為了計算方便,我們一般用每秒30萬公里,一光年9.46萬億公里的近似值來表示。這個速度在任何的參照系中是不變的,不管你兩個參照系是相向而行還是同方向而行,這個速度都不變;速度極限理論就是說在這個宇宙中光速是極限的,沒有任何物體的速度能夠大于光速,凡有質量的物體都無法達到光速。光子是無靜止質量的,所以光子才能達到光速。
這是由于速度越大動量就會越大,凡有質量的物體如果達到光速,質量就會變成無限大。
無限大就是整個宇宙加起來的質量也沒有這個物體質量大,這就成為了一個悖論。所以任何物體是達不到光速的,包括最小的物體,比如質子,在大型加速器里,質子在強大的能量推動下,只能無限的接近光速,卻永遠也達不到光速。這就是由于著名的質能方程限制,表述為:E=Mc^2,而質速關系公式見下圖:
光速的特性說明了在我們這個宇宙,任何物體運行速度是無法達到光速的,只有光子由于沒有靜止質量才能達到光速。
狹義相對論還有一個時間膨脹效應理論,就是說在運動參考系中,時間是會膨脹的,表現(xiàn)為任何有速度的物體運行中都會產(chǎn)生尺縮鐘慢效應。
這種效應在低速中表現(xiàn)不明顯,但在高速中表現(xiàn)就非常明顯了,尤其在接近或達到光速的時候。這與聲波的多普勒效應相類似,但它們是有區(qū)別的,用公式表述為:
弄清楚了以上光速性質和速度中的一些特殊現(xiàn)象,我們就可以來回答乘坐0.99999999光速飛船,到達100光年的地方需要多久了。
實際上這是一個接近光速的速度狀態(tài),所消耗的能量和運行質量也是十分巨大的,但理論上是可行的,不違背愛因斯坦的光速限制理論。我們要解釋的就是在這樣光速的背景下,不同參照系所經(jīng)歷的時間感受。
毫無疑問,在飛船外面,我們看到一艘飛船以0.99999999光速飛向100光年的星球,當然是用100年除以0.99999999倍了,這樣到達的時間就是100.000001年,也就是差不多100年啦。而在飛船里的人時間就會顯著變慢,根據(jù)尺縮鐘慢公式,實際上就是經(jīng)歷了時間的一個洛倫磁變換,計算出飛船里的時間只需要5.17天,也就是說,飛船里的時間只過去了5.17天。當然這個計算忽略掉了提速和減速的時間。
這樣如果你35歲出發(fā),你的兒子才1歲,你從100光年的星球返回,只過了10天多一點,而你的兒子已經(jīng)201歲了,如果他還活著,生了一堆你的孫子的話,你就成了一個大族的長老了。
想一想,如果飛船到1000光年的地方往返的話,地球已經(jīng)是滄海桑田了。如果速度越接近光速,這個時間膨脹效應越大。而到達了光速,在光速飛船里的人時間就會靜止,就是你沒感到花任何時間,就到達了任何遠的地方。這或許就是古代神話里說的天上方一日,世上已千年吧。
只不過任何物體是無法達到光速的,更無法超過光速,所以時間靜止和倒流就無法體驗了。
但時間膨脹的尺縮鐘慢效應人人都能體驗到,只不過平時的慢速度中,幾乎沒有感覺而已?茖W家們用精密的儀器檢測,在飛機上攜帶原子鐘檢測到了這種效應。德國物理學家用高速粒子加速器實驗了3年,測到了精度在小數(shù)點后10位的時間膨脹效應。這些實驗證實了狹義相對論的正確性。
現(xiàn)在時間膨脹效應理論已經(jīng)在一些領域得到運用,如在GPS定位系統(tǒng)、宇宙觀測中都有運用,如果沒有這個理論來修正誤差,就會出現(xiàn)定位不準和觀測數(shù)據(jù)誤差的錯誤。理論上住在高樓人的時間會比底層的要慢,但這個差別太微弱無法感受。
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這個問題的題主貌似想挖個坑,迷惑答題者。但是你去100光年外的星球,就表示距離一定,那么所用的時間就是等于距離除以速度,所以用100光年/0.99999999光速=100.000001年。因此這個問題和北京距離秦皇島300公里,你的車平均時速75公里,幾個小時到的問題一樣。300公里/75公里/小時=4小時一樣。
至于飛船上的人感覺過了多少年,在于他們有什么樣的時鐘,如果他們還用的是地球上的時鐘,那么就當然也是過了100多年,基本都掛了吧。除非在此期間,男女航天員又造出小航天員。地球上的時間當然也是過了100多年。
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