如果以光速離開地面一分鐘,馬上返回,到達地面後,地球上過了多久?

Eliauk 2021/02/05 檢舉 我要評論
 

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一分鐘後回來,地球早已不在了,宇宙也演化終點,或許連原子結構都會被暗能量瓦解,一片死寂,但前提是「上帝」能從其他「平行宇宙」給飛船調來充足的能量,可以短時間內讓飛船無限接近於光速,讓時間無限接近於靜止。

這個能量會超過我們這個宇宙能量的總和,但即使是這樣飛船達到光速是不可能的,因為只有資訊與能量才能達到光速。下面我們來說說,計算看看是怎麼回事:

一切都是相對的,只有光

當我們談及速度時,首先要設定一個參照物。例如:當參照物是電線杆子時,汽車是有速度的,如果參照物是汽車上的駕駛員,那麼汽車的速度則為零,因為無論汽車有多快,他始終都在汽車上,稱之為相對靜止。平常我們談及的時速都是汽車相對於地面,或者靜止於地面上的物體,因此一切速度都可以稱之為相對速度。

圖:邁克遜莫雷實驗,發現光速不變

不過,上個世紀科學家發現了一個奇怪的現象。邁克遜莫雷實驗發現光的運動並不符合相對性原理,光的運動速度在任何觀察者(參照物)看來都是恒定不變的。舉個思維例子加深一下理解:

a,b倆人各自騎著單車,慢悠悠地運動著,他倆相對靜止。光從遠處飛來,在他倆看來,光速度都是C。可當一輛無限接近於光速(v)的飛船從上空超過ab,飛船上的宇航員發現光的速度也是C,這個發現意味著光的運動是絕對的,光速是絕對速度,無論在誰看來都是C。

狹義相對論

愛因斯坦基於光速不變,推導出狹義相對論,他發現除了速度是相對的,品質、時間、尺寸都是相對的。

圖:品質與速度的關係,物體的(靜止)品質不為零就無法達到光速(分母不能為零),而且物體速度越接近於光速,相對品質越大,意味著使它加速所需能量越大

例如:你在我面前站著,品質是100斤,但是你要是以極快的速度跑起來相對品質有可能是120斤。品質的增加源于運動時產生的動能,動能大小由速度所決定,這和光速有千絲萬縷的關係。

圖:愛因斯坦與質能方程

基於品質與速度的關係,愛因斯坦有了一項驚奇的發現,品質與能量是等價的,它們關係是光速的平方,而光速又是恒定的,換句話說品質就是能量。21世紀量子力學發現萬物的構成源於基礎粒子間的相互作用,作用的大小決定了物質的品質,對品質與能量的本質進行了解釋,作用大小與品質的關係可以用質能方程進行計算。因此,質能方程可以通過原子彈的品質虧損計算出爆炸產生的能量。

圖:速度時間膨脹曲線,運動速度越快,時間膨脹越厲害,當速度無限接近於光速,在觀察者看來,運動物體的時間幾乎凝固

狹義相對論中愛因斯坦用動鐘變慢效應來描述時間與速度的關係:速度會使時間流速發生變化,時間不再是牛頓時期的光陰似箭,而是有慢,有快,取決於速度,相對速度決定了相對時間。當飛船無限接近於光速飛離地球時,飛船上的時間將無限接近於靜止。

如果地球過去150億年,飛船上時間過去了多久?(計算)

我們假設150億年後地球會消失,把150億年的地球時間(t')代入速度時間關係公式(C為光速)

當飛船速度為0.99倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=21億年。

當飛船速度為0.9999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=6.7億年。

當飛船速度為0.999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.21億年。

當飛船速度為0.9999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.067億年。

當飛船速度為0.99999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.021億年。

當飛船速度為0.999999999倍光速時,地球過去150億年,飛船中過去了t=0.0067億年。

可見當飛船接近于光速時,輕微的加速,會帶來巨大的時間變化,當飛船的速度小數點後面有無限個9時,膨脹效應無限大,飛船上的時間將無限慢,宇宙毀滅對於飛船來說只是一個「響指」的事。

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