時間膨脹導(dǎo)致鐘慢尺縮效應(yīng)，宇航員在高速飛船中，會經(jīng)歷什么？

本文基于回答這樣的問題：一位30歲的宇航員乘坐光速飛船飛了150個地球年，他回到地球會是多少歲？

我給出的簡單回答就是：他還是30歲，而地球卻過去了150年。

這個原理是基于高速系中的時間會發(fā)生膨脹，表現(xiàn)為鐘慢尺縮效應(yīng)。

鐘慢效應(yīng)：

愛因斯坦狹義相對論告訴我們，不同參考系的時間流逝速度是不一樣的，是相對的，這就是相對的時空觀。與地球相對靜止的觀測者相比，速度越快的飛船里，乘員們經(jīng)歷的時間流逝就越慢，這就是時間膨脹效應(yīng)，其遵循的公式為：t'=t/√[1-(v/c)2]。

在這個公式里，t'是速度時間膨脹效應(yīng)值；t是低速系觀測者第一個時鐘時間記錄；v是第二個時鐘相對第一個時鐘的移動速度；c為光速。

根據(jù)這個公式計算，在低速系，也就是我們?nèi)粘Ｉ畹乃俣戎?，如汽車、火車、飛機，甚至現(xiàn)在的宇宙飛船中，時間流逝雖然比靜止觀測者要慢一些，但這種慢卻微乎其微，相對人類壽命完全可以忽略不計。但當(dāng)飛船速度達到0.5倍光速時，這種效應(yīng)就很明確地顯示出來。

從上面圖片中我們可以看到，在達到光速的0.5倍參考系活動的人員，時間流逝會比相對靜止觀測者（比如地球上的人們）慢1.15倍；而到達光速的0.9999倍時，時間流速就會慢70倍，也就是說在這樣速度飛船中的宇航員過了1年，地球上的人們就過了70年。

在速度越無限接近光速，每在零點后面增加兩個9，時間流逝就會以1個數(shù)量級（10倍）遞減，這樣到了光速的0.99999999999999倍時，時間膨脹效應(yīng)就會慢707萬倍，再在后面增加兩個9，就是慢7070萬倍。也就是說，在這樣飛船中的宇航員旅行1年回來，地球已經(jīng)過去7070萬年，早已滄海桑田了。

尺縮效應(yīng)

速度越快，空間距離越縮短，這就叫尺縮效應(yīng)。狹義相對論中計算尺縮效應(yīng)的公式為：L=L'√[1-（v/c）^2]。這里，L代表低速系觀測者看到的運動長度，L’為靜止長度，v為速度，c為光速。

根據(jù)這個公式，我們可以計算出當(dāng)物體運動達到光速的0.5倍時，空間距離會縮短到原來的0.866倍；到達關(guān)稅的0.99倍時，空間距離會縮短至靜止觀測系的0.141倍；當(dāng)速度達到光速的0.99999999999999倍時，空間會縮短至靜止觀測系的0.000000141倍。

以上兩個效應(yīng)加起來就叫鐘慢尺縮效應(yīng)。如果這位宇航員以0.99999999999999倍光速行駛，感受的時間就放慢了707萬倍，空間距離也縮短了707萬倍，這樣地球觀測者認(rèn)為這艘飛船來回走了150年，差不多飛了150光年的路途，但這位宇航員只感覺飛了0.00002光年多點，所花費的時間也只有0.00002年多點，也就是只要600多秒鐘就回來了，只花了十來分鐘。

這樣這位30歲的宇航員就還是30歲，而地球已經(jīng)過去了150年，他的父母和妻子兒女早就不在了。真是子欲養(yǎng)親不待啊。

理論上光速航行時間停止空間為零

我們再來計算一下以這種速度到達仙女座星系來回的時間和尺度。仙女座距離我們有254萬光年，如果以光速的0.99999999999999來回，空間距離在乘員看來就只有約0.72光年，來回所花費的時間約需要0.72年，而地球觀測者看到的卻是飛船走了508萬年。

這位30歲的宇航員回來后，一年都沒過，依然還是30歲，而地球上別說是父母子女，人類還存不存在都難以預(yù)料了，早已是滄海桑田了。

如果速度再提升，進一步無限接近光速，鐘慢尺縮效應(yīng)還會以指數(shù)級變化，達到光速時間流動停止，空間為零。因此在達到光速的飛船中，乘員們根本無法感受到空間距離尺度，也感受不到時間流逝，地球上150年過去了，飛船回來，宇航員們完全沒有航行過的感覺，一分一秒也沒有過去，因此30歲的宇航員就完全還是停留在30歲的哪年哪月哪時哪分哪秒。

當(dāng)然以上純理論計算，完全忽略了飛船提速和減速過程，這個過程在不同速度系中，時間流逝和空間尺縮效應(yīng)是不一樣的，這得具體分析和計算，這里就不具體說了。

質(zhì)速關(guān)系限定了任何有靜質(zhì)量物體都無法達到光速。

但根據(jù)愛因斯坦狹義相對論，任何有靜止質(zhì)量的物體都是無法達到光速的，因為隨著速度的增加，動量和所需能量也會增加，越趨近光速，動量和能量越大，而到達光速后，動量和能量就會無窮大。無窮是什么意思，就是我們宇宙質(zhì)能也不是無窮的，因此即便推動一個質(zhì)子達到光速，整個宇宙的質(zhì)能也是不夠的。

這就是一個悖論，光速就成為我們世界速度的天花板，無法達到和超越。這就是愛因斯坦狹義相對論中的質(zhì)速關(guān)系，速度受到質(zhì)速關(guān)系限制，這種關(guān)系又叫質(zhì)增效應(yīng)。質(zhì)速關(guān)系公式表達為：M=m/√[1-（v/c）^2]。

這個公式看起來與前面的速度時間膨脹鐘慢尺縮公式相仿，但內(nèi)容是不一樣的。這里的M為物質(zhì)的運動質(zhì)量，m為物質(zhì)的靜質(zhì)量，v為運動速度，c為光速。

因此根據(jù)這個公式我們可以看出，隨著速度的增大，物體動量增大的幅度與時間膨脹幅度一致，當(dāng)1噸重的飛船速度達到光速的0.99999999999999倍時，其動量達到707萬噸，這要多大能量才能推動這艘飛船到達這個速度，而且還要提速的話又需要多大能量？

隨著速度再往上提升，動量和動能就會趨于無限大。

尺縮鐘慢效應(yīng)和質(zhì)增效應(yīng)不僅僅是理論，而是真實存在。

有人可能會說，所謂高速系中的鐘慢尺縮效應(yīng)以及質(zhì)增效應(yīng)只是老愛胡謅的理論，在現(xiàn)實中是不可能出現(xiàn)的。說這種話的人肯定不是科學(xué)界的人，甚至連基本的現(xiàn)代物理學(xué)常識都沒有。因為經(jīng)過100多年的觀測發(fā)現(xiàn)和實驗論證，這些理論早就被證實顛撲不破了。

在歐洲大型強子計算機中，科學(xué)家們將自制速度加速到光速的0.999999991倍時，其所需能量和達到的動量精準(zhǔn)的符合質(zhì)速關(guān)系公式預(yù)期；通過對宇宙高能射線監(jiān)測觀測和計算，粒子在不同速度中的壽命和衰變速度，與尺縮鐘慢公式完全吻合。

在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，必須按照相對論效應(yīng)，也就是鐘慢尺縮效應(yīng)調(diào)整在天上衛(wèi)星時鐘和地面時鐘的差距，否則定位導(dǎo)航就會失之毫厘謬以千里，我們的車載導(dǎo)航就會把我們導(dǎo)到不知什么地方去了。

現(xiàn)在愛因斯坦相對論和量子力學(xué)早就成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩塊最重要基石，其中的光速極限和光速不變又是這兩塊基石的基礎(chǔ)，如果這些理論被推翻，整個物理學(xué)大廈就要推倒重建。

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