可能在大多数人的眼里确实只经过两分钟,但是爱因斯坦告诉你,真相可能没有这么简单。在我们固有印象里,时间的流逝对于每一个人都是相同的,至少在地球上生活的我们,都在经历着相同的时间流逝,不论你一贫如洗或者家财万贯,时间的流逝对于每一个人来说都是公平的。
米勒星上的一小时,相当于地球上的7年,而他们在米勒星上不过几小时的时间,地球上已经过去了几十年,直到最后男主角回到地球的时候,他和出发的时候基本没有区别,而他的女儿却已经风烛残年了。
爱因斯坦在提出狭义相对论时,有两个基本的假设前提既然是飞船的时间,那根据狭义相对论的时间膨胀效应公式(由于飞船存在加速、减速和掉头过程,飞船经历的时间真的比地球变慢了,其中t′为地球的时间,t为飞船的时间,这里为1分钟,Ⅴ为飞船相对地球的速度,c为光速),
爱因斯坦在提出狭义相对论时,有两个基本的假设前提,其中一个就是著名的光速不变原理,即在所有的惯性参照系中,观察光线在真空中的传播速度,都将保持着一个恒定的数值。
即30万公里每秒,这个数字不会因观测者所处的是哪一个惯性参照系而改变,也不会因观测者、目标物体的移动而改变,只要满足惯性参照系的条件即可。
它所表达的是两个惯性参照系内时间流逝速度的对应关系它所表达的是两个惯性参照系内时间流逝速度的对应关系,无论是从观测者来说,还是在光速飞船上的人来说,它们本身处在的惯性参照系内的时间流逝,分别是两个独立的过程。
如果它们之间没有信息联系的话,那么从地球上看飞船上的人,感觉飞船上的时间过得慢甚至停滞,那么反过来一样成立,地球相对于飞船也处于光速运行,那么光速飞船上的人看地球上的人,一样也是感觉他们时间过得慢甚至停滞。
如果在任何的一个参照系发生加速或者减速,那么无论是空间还是时间的相对性都会发生改变,就不会再适用狭义相对论了。
这里的一分钟应该指的是飞船时间,也就是驾驶员感受到的时间这里的一分钟应该指的是飞船时间,也就是驾驶员感受到的时间,由于飞船速度十分接近光速,因此狭义相对论效应将十分明显,导致的结果就是飞船内过了一分钟,待回到地球时却发现地球早已过去数百年乃是上万年。
基于真空光速在任意惯性参考系下速度相同,以及狭义相对性原理,可以得到一个关于区别于牛顿时空观的理论,在这里时间和空间不再各自独立,这个理论就是狭义相对论。
狭义相对论有几个推论时非常出名的,比如质能方程,以及这篇回答将要提到的钟慢尺缩效应。所谓钟慢尺缩,概括性地讲就是:运动物体的时间会变慢、运动方向上的长度会缩短。
光子永远将静止在光子钟之中,而飞船内的一切也将趋于静止比值无穷大的意味着,地球上过去了一分钟,飞船上过去了几亿分钟、几万亿分钟......,这个时间会随着飞船无限接近于光速而无限大。当飞船的时间无限接近于无穷大,光子钟A将趋向于静止,也就是我们所说的时间凝固。
光子永远将静止在光子钟之中,而飞船内的一切也将趋于静止,换句话说,当小美几乎为光速,弹指一挥间地球毁灭、甚至宇宙毁灭,她将看到宇宙演化的尽头,更别要说回头看看已经毁灭的地球上的亲人。
时间对于普通人来说再普通不过,它们看不见摸不着,但却真实存在。而对于物理学家来说时间是最令人着迷的。早期人类对于时间的认知就是太阳的东升西落,地球上的昼夜更替四季轮回,这些都意味着时间在流动。
在牛顿时代,对于时间有着最直接的认知,最简单的理解就是一个物体从A状态变化到B状态经历了多长时间。牛顿坚持的是绝对时空观,这也意味着时间就是绝对的,这一点在现代生活看来貌似也并没有错,在我们的日常生活中只有一个时间标准,例如公司规定的上班时间点9点,对于所有员工都是通用的。
再例如你和女朋友去约会,定好9点,那么两个人必须要准时到达约会地点,你不能说咱们两个时间不一样,我比你晚到,这就是牛顿的绝对时空观。
但是二十世纪初爱因斯坦横空出世,1905年提出狭义相对论,那个时候爱因斯坦才26岁。因为迈克尔逊莫雷实验的失败,让物理学界的一众科学家都感觉到不安,牛顿提出的以太假说是那么完美深入人心,现在你告诉我它不存在?
没有办法就是如此,迈克尔逊莫雷实验没有证明以太的存在,恰恰相反证明以太不存在,在很多人都从实验设备过程找问题的时候,爱因斯坦遵从“如无必要勿增实体”的奥卡姆剃刀原理,认为以太不存在,真空中光速恒定。至此爱因斯坦开始真正地登上了历史舞台,打破了牛顿的绝对时空观,时间和空间都变成相对的了。
这个时候问题就出现了,时间并不是绝对的了,每个人的时间可能是不同的,这跟物体的运动速度以及所处的引力场都有一定关系。
1905年爱因斯坦提出狭义相对论,其中的时间膨胀效应重新定义了时间,物体的时间跟自身的运动速度有关,速度越快时间的流逝速度越慢,当无限接近于光速,那么时间无限接近于静止。
10年磨一剑,1916年爱因斯坦把引力加入到自己的理论体系中整理出广义相对论,认为引力的本质就是时空弯曲的外在表现。在广义相对论中时间也是相对的,所处的引力场越大,时间的流逝速度就越慢。例如在《星际穿越》中出现1小时等于地球上7年的情况,就是因为库伯一行人所在的行星正在绕超大质量黑洞公转,引力太大,导致时间的流逝速度减慢。
原理我们都十分的清楚了,那么光速飞行一分钟,回到地球后还能见到家人吗?
其实标题中已经给出了结果,那个时候太阳系可能都消失不见了。爱因斯坦的理论打破了绝对时空观,同时也经受住了考验被认为是正确的。
那么这个时间“1分钟”,就有两个含义了,它可以指地球上的时间,也可以指飞船内的时间。如果是地球上的时间,那么光速飞行1分钟后返回地球,地球上自然也同样过去了一分钟。
那如果这个1分钟指飞船内的时间,那么结果就难以想象了。首先根据狭义相对论时间膨胀效应,运动速度越快时间流逝速度越慢,当物体无限接近于光速,那么时间也几乎接近于静止。
先来强调一下:有静止质量的物体理论上达不到光速,只能无限地接近光速。
那这也就意味着光速飞出地球一分钟,在我们地球的角度来看飞船,它的时间流逝速度无限接近于静止了,在我们看来可能就是天荒地老,都达不到这个时间。但是对于飞船上的人,他并不认为自己时间过得很慢,跟往常一样就是一分钟,但是当他返回地球之后已经是沧海桑田,甚至太阳系都可能已经消失了。
爱因斯坦的时间膨胀效应给人类留下了一个大大的彩蛋,人类寿命不足百年,而宇宙又很大,可观测宇宙直径可以达到930亿光年,仅仅太阳系直径还在2-3光年哪!那么借助于时间膨胀效应,只要我们的运动速度足够的快,就可以在有生之年去到遥远的星系进行星际航行了。
文/科学黑洞,图片来源网络侵删。