以99%光速飞行,飞出太阳系需要多少时间?飞出银河系呢?

栏目:影视资讯  时间:2022-11-07
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  从理论上来讲,我们似乎不可能造出光速飞船,但达到99%光速却是允许的,那么问题就来了,假如我们以99%光速飞行,飞出太阳系需要多少时间呢?

  如果以奥特星云为界的话,太阳系的半径大约为1光年,也就是说,我们只需要计算出以99%光速飞行1光年,需要多少时间,就可以得出答案。看到这里可能有人会说了,1光年就是以真空中的光速直线飞行一年的距离,而1除以0.99约等于1.01,所以这个问题的答案难道不是1.01年吗?

  其实这个答案是正确的,但是却不是唯一的,因为根据爱因斯坦在狭义相对论中的描述,时间不是绝对的,而是相对的,简单来讲就是速度越快,时间就越慢,这被称为“钟慢效应”。

  据此可以得出,假如有一艘以99%光速飞行的宇宙飞船从地球出发,那么从地球上的人来看,这艘宇宙飞船确实需要大约1.01年的时间才能飞行1光年,但从这艘宇宙飞船的乘客来看,他们根本就没有用到这么多的时间。

  “钟慢效应”是怎么来的?

  其实这是来自于一个重要的公设——光速不变原理,即:光在真空中的传播速度是恒定不变的,与观测者和光源的运动无关。意思就是说,对于一束在真空中传播的光束而言,无论你的运动方向是与它相同还是相反,又或者是静止不动,这束光在你看来都是同一个速度。

  上图为一个“光子钟”,光子可以在上下两面镜子之间来回反射,由于光速和距离都是确定的,因此我们可以将其作为计时工具,即光子每完成一次反射(从上到下或者从下到上),就用时d/c秒(d为两面镜子的距离,c为光速)。

  假设有两个“光子钟”,一个放置于地球上,一个放置于高速飞行的宇宙飞船中,这时我们可以就看到,在地球上的“光子钟”每完成一次反射的时间是d/c秒,而宇宙飞船上的“光子钟”就不一样了,为什么这么说呢?

  如上图所示,从地球上来看,宇宙飞船上的光子移动的距离,除了两面镜子之间的距离之外,还多出来一个由宇宙飞船本身的速度v产生的距离,也就是说,它飞行的距离增加了,而根据光速不变原理,光子的运动速度不会与宇宙飞船的运动速度叠加,因此它每完成一次反射的时间就变成了(d + 多出来的距离)/c秒,这就意味着,从地球上来看,宇宙飞船上的时间变慢了。

  需要指出的是,虽然“钟慢效应”看上去非常反直觉,但在过去的日子里,科学家们已经对此进行了多次验证,例如著名的“飞行钟”实验以及“μ-介子”实验等等。因此可以说,我们要讨论上述问题,就必须要将这个效应考虑进去。

  那么具体答案是什么呢?

  上图为描述“钟慢效应”的公式,其中的T0可以代表地球上的时间,T可以代表宇宙飞船上的时间,V可以代表宇宙飞船的速度,C则为光速。

  我们据此可以计算出,如果宇宙飞船以99%光速飞行,那么宇宙飞船就会比地球上的时间慢大约7倍,所以从这艘宇宙飞船的乘客来看,飞行1光年,或者说飞出太阳系,仅仅需要大约53天的时间。当然了,从地球上的人来看,这艘宇宙飞船还是花了大约1.01年的时间。

  可以看到,对于宇宙飞船的乘客而言,仅用53天就可以飞出太阳系,确实是很愉快的,那飞出银河系呢?我们不妨再来算算。

  银河系的直径至少有10万光年,而太阳系距离银河系中心约有2.5万光年,也就是说,我们至少要飞行2.5万光年的距离,才能够飞出银河系。经过简单计算后我们可以得出,在算上了“钟慢效应”之后,宇宙飞船仍然需要大约3600年。

  不得不说,这个结果是很令人失望的,不过没关系,因为既然我们可以让宇宙飞船达到99%光速,那么我们也可以让其达到更快的速度,根据“钟慢效应”的公式我们能够得出,速度越接近光速,“钟慢效应”就越明显(可参考下图)。

  可以看到,当宇宙飞船的速度达到99.999999999999%光速时,其时间可以变慢707万倍,显而易见的是,假如我们以这样的速度飞行,别说是飞出银河系了,就算是飞往254万光年之外的仙女座星系,也只需要4个多月而已。

  好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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