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20岁的宇航员光速航行200年返回地球后会是几岁?

2020/6/30 19:33:19 来源:原创 浏览:

踏足宇宙可以说是人类自诞生之日开始便深植于心的梦想。在原始社会,落后的人们无法实现这个梦想,因此对宇宙充满敬畏。而在现代社会,得益于尖端科技的发展,数万年来人类的梦想终于成为现实。人们不仅开始踏足浩瀚的宇宙,更是登上了遥远的月球。



图解:扩展对数宇宙图解。 图源:Wiki。

尽管人类已经成功地摆脱了地球的束缚进入宇宙,但随着对宇宙及其规则研究的不断深入,一个可怕的事实摆在了人类面前:对于人类来说,真正意义伤的探索宇宙几乎是不可能的事。

之所以这么说,主要是因为对于寿命短暂的人类来说,以光年为距离尺度计算的宇宙太过于浩瀚无垠。

为了解决这个问题,科学家们尝试了各种方法,也提出了各式各样的理论,包括虫洞、量子传输、甚至光速航行等。而提到光速航行时,我们不得不提及一个有趣的问题:一个20岁的宇航员光速飞行200年后,当他返回地球时为多少岁?

图解:虫洞旅行。图源:NASA。

在揭晓这个问题的谜底之前,我们必须先知道什么是光速。或许有人对此感到疑惑,光速不就是光的速度吗?每秒30万千米,谁不知道呢?

实际上这个说法并不准确。根据爱因斯坦的狭义相对论,光速是指“没有质量的粒子及其场的变化在真空中传播的速度”。一般来说,我们将光速视为一个物理常量,它的准确值为每秒299,792,458米,将该速度约等于每秒30万千米只是为了计算方便。

可能很多人在光速的狭义相对论定义中已经发现了两个关键点,一个是没有质量的粒子与场,另一个是真空中的传播速度。

图解:爱因斯坦与相对论。图源:Wiki。

我们先从“没有质量的粒子与场”这一概念入手。根据相对论理论,一个粒子要想达到光速的一个重要前提是粒子没有质量。但是到目前为止,人类只发现了光子和胶子两种没有质量的粒子,其他已知的粒子都是有质量的。

图解:胶子是传递夸克之间强相互作用的粒子。图源:Wiki。

而胶子被强子限制在体内,自由移动的胶子是不可能出现的,这就意味着光子是宇宙中唯一可以达到光速的粒子。当其它粒子无限接近光速时,它们的质量会无线增长以致于它们无法达到光速。所以爱因斯坦的狭义相对论理论指出任何有质量的粒子都不可能达到光速。

接下来我们再谈谈“光在真空中的传播”。提到宇宙,相信很多人会想到真空,但事实上宇宙中很难找到一块真正意义上的真空区域。

根据之前的观察,地球的大气层厚度大于为1000千米,这就意味着距离地球表面400千米的空间站仍然处于地球的大气层中。但是一次的测量结果显示,地球的大气层厚度可能远大于1000千米,它直接到达了惊人的60万千米。基于这个厚度测量结果,月球实际上也处于地球的大气层范围内。

图解:大气层。图源:Wiki。

因此,尽管宇宙中天体的数量看上去很小,但却很难找到一块真正“真空”的区域。与此相反,那些看上去像是真空的区域却充斥这各种各样的物质。

在了解光速与到达光速的条件后,我们便可以回答文章开始提到的问题了:宇航员想要光速飞行时毫无可能的,更无谓在宇宙中光速飞行200年了。

也许有人会想,相对论不一定是正确的。如果你真的这样想,那么你就是在否定“时间膨胀”理论。

根据“时间膨胀”理论,一个质量的粒子以光速运动时,它不再受到时间的影响。当然,这只是“时间膨胀”理论的一个简单表述,“时间膨胀”的具体内容不是几千字就能够解释清楚的,所以我们只需要知道这个结论。

值得一提的是,“时间膨胀”理论认为,没有质量的粒子只有在光速运动时不会受到时间影响,但不管是宇航员的飞行器或是宇航员本身,都不是也不可能是没有质量的粒子。

所以一方面,人类根本不可能达到光速;另一方面,即使人类可以光速飞行,狭义相对论中的“时间膨胀”理论中定义的是没有质量的粒子,在到达光速后没人知道“时间膨胀”理论是否仍适用。所以,文章开始所提到的问题是无法回答的。

图源:NASA。

但如果不考虑相对论,我们只从实际和人类惯有的思维出发来讨论这个问题,那么在宇航员以光速飞行后,他身上的时间就停止了吗?

如果他身上的时间停止了,是否意味着他的思维、内循环甚至组成他的粒子也都随着时间“冻结”了呢?

如果答案是肯定的,那么这实际上就意味着宇航员已经死亡且处于“绝对零度”的状态,但“绝对零度”只是理论上存在但现实中不存在的,也就是说到达“绝对零度”的宇航员不会存在。

如果答案是否定的,那么在宇宙中光速飞行的宇航员和在地球上其实并没有什么区别,他仍然在变老。当他200年后停止光速飞行时,他的真实年龄会是220岁。

这个答案是否和你想的有所不同?实际上,要讨论现实问题,我们必须将现实中的物理规则带入到讨论过程中去。如果我们想无视物理规则去讨论现实问题,那么我们得到的答案将会是毫无意义的。


参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. 卓恩弘

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