乘0.99倍光速飛船一年后回來，地球咋樣了，會穿越到未來嗎？

這是一個關(guān)于時間膨脹的話題。關(guān)于這個話題過去說過多次，既然很多人還有興趣，就簡單通俗地再說說。不過光速的99%速度航行，時間膨脹效應(yīng)并不大，可能令這位想看到奇跡的朋友失望。

愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論，是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基礎(chǔ)，它與崛起的量子力學(xué)理論共同搭建起了現(xiàn)代物理學(xué)的框架。在狹義相對論中，愛因斯坦論證了在不同坐標(biāo)系時間的相對性和距離概念的相對性，從而得出時間膨脹理論。

低速系時間膨脹不明顯

速度時間膨脹理論是指在運(yùn)動速度越高的坐標(biāo)系中，時間流速會越慢，距離概念會縮短，這就是所謂的尺縮鐘慢效應(yīng)。但這種效應(yīng)在一般低速系統(tǒng)并不明顯，如我們?nèi)粘Ｉ钜詾榈摹案咚佟憋w機(jī)甚至火箭中，雖然也會發(fā)生時間膨脹效應(yīng)，但很微小。

愛因斯坦狹義相對論中給出的速度時間膨脹公式為：t‘=t/√[1-(v/c)2]，式中，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，我們可以計算出，在迄今人類交通工具創(chuàng)造的速度下，時間膨脹效應(yīng)是極小的。即便乘坐每秒7km的宇宙飛船，時間膨脹也是極小。根據(jù)上述公式計算，乘坐這種速度飛船的人們，只比地球坐標(biāo)系時間慢3.89*10^-17，就是10億億分之3.89。

我們按天文學(xué)采用的儒略年計算，1年為365.25天，為31557600秒，這樣乘坐在每秒7km宇宙飛船中的人們，1年就比地球人時間慢了約0.00000000123秒，也就是十億分之1.23秒。如果一位宇航員在這種速度飛船中度過100年，所經(jīng)歷的時間也只比地球人減慢了1千萬分之1.23秒。

所以理論上說宇航員會比生活在地球上的人長壽，不是指乘坐這種速度飛船的宇航員，而是指乘坐接近光速飛船的宇航員。如果在這種低速中，宇航員不但不會長壽，這點(diǎn)速度連重力減小導(dǎo)致的時間變快都抵消不了，而且太空失重狀態(tài)和比地表大很多的輻射，還會導(dǎo)致宇航員們的身體健康受到損害。

接近光速的高速系統(tǒng)，時間膨脹才明顯

如果乘坐在0.99倍光速的飛船里，乘員的時間膨脹效應(yīng)就比較明顯了。根據(jù)上述公式計算，在0.99倍光速中，時間膨脹效應(yīng)會達(dá)到7倍，如果這位宇航員在宇宙飛船中過了1年，地球人就過了7年。如果飛船是按地球時間1年回來，那飛船中的人就只過了1/7年，因此短期看起來并不大。

因此，這位宇航員也算“穿越”到了未來，只不過過了幾年而已。但這位宇航員如果按飛船時鐘旅行了10年回來，地球人就已經(jīng)過了70年了，那時留在地球的兒子就宇航員離開時的爹還要老了。

速度時間膨脹效應(yīng)是越接近光速，膨脹效應(yīng)會呈指數(shù)級提升。速度如果達(dá)到光速的0.9999倍，時間膨脹效應(yīng)就達(dá)到70倍；達(dá)到光速的0.999999倍，則膨脹效應(yīng)達(dá)到707倍。以此類推，每在后面增加兩個9，時間膨脹效應(yīng)就會提升10倍。

因此，如果乘坐一艘達(dá)到光速0.99999999999999倍的飛船，前往距我們254萬光年的仙女座星系飛一個來回，飛船里的人們只感覺過了8個多月，地球人已經(jīng)過去了500萬年，這時的地球早就物是人非滄海桑田了。如果那時候地球還有人類存在，回來的宇航員就成了祖宗的祖先了。

這是因為在這個速度下，時間膨脹達(dá)到了707萬倍，也就是飛船上的人過了1天，地球人就過去了707萬天。但需要說明的是，宇航員們的壽命并沒有延長，他們的感受是過了一天還是一天，和在地球上過的時間沒什么兩樣。

結(jié)論：

時間膨脹效應(yīng)接近光速時變化才會更顯著。達(dá)到光速0.4~0.5倍時，時間膨脹效應(yīng)就有了1.1倍左右；當(dāng)達(dá)到光速0.9倍時，時間膨脹效應(yīng)達(dá)到約2.3倍；達(dá)到0.99倍時，時間膨脹效應(yīng)達(dá)到了70倍。小數(shù)點(diǎn)后面每增加兩個9，時間膨脹效應(yīng)增加10倍，以致無窮。

這只是理論值，真實的宇宙航行中，有提速減速過程，還有引力影響因素。根據(jù)廣義相對論，引力越大的參考系，時間過得越慢，反之越快。而且根據(jù)質(zhì)速關(guān)系的質(zhì)增效應(yīng)，隨著速度提升，所需驅(qū)動的能量和飛船的動質(zhì)量越大，這種質(zhì)增效應(yīng)與時間膨脹效應(yīng)成正比。

因此，要讓飛船達(dá)到光速，所需能量和飛船動量將達(dá)到無窮大，宇宙只能也不是無窮大，因此這是悖論。這就是有質(zhì)量物體不可能達(dá)到光速，更不可能超越光速的道理。即便讓飛船接近光速，也是一個極難以攻克的課題。

人類要突破宇宙航行速度瓶頸，很可能要另辟蹊徑，就是通過曲速引擎或蟲洞穿越的方式進(jìn)行，這兩種方式理論上可以達(dá)到超越光速很多倍到達(dá)目的地。但這兩種方式不是直接提升飛船速度，而是通過“縮地法”（折疊空間）和“抄近道”（時空隧道）的方法“跨越”到目的地，因此不違背光速藩籬原則，也不會出現(xiàn)時間膨脹效應(yīng)。

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