以0.9999倍光速飞行100光年，要飞多长的时间

Daphane

來源:魅力科学君

如果一艘宇宙飞船以0.9999倍光速飞行100光年，需要飞多长的时间？对于这个问题，一个简单的答案就是，1光年就是以光速飞行1年的距离，以0.9999倍光速飞行100光年，就需要飞大约100.01年的时间。

实际上，“100.01年”这个答案确实是对的，但它却不是唯一的，因为根据爱因斯坦提出的《狭义相对论》，时间并不是一成不变的，对于乘坐这艘宇宙飞船的人来讲，他们的时间其实会变慢，为什么会这样呢？这就要从“光速不变原理”开始讲起。

“光速不变原理”是爱因斯坦提出《狭义相对论》的基本出发点之一，其内容可以简单地描述为，不管你在哪种参考系中观察，光在真空中的速度都是一个恒定的常数（即每秒钟299792458米）。

也就是说，对于真空中的一束光而言，无论你处于什么运动状态，迎着它运动也好，背向它运动也好，你观察到的这束光的速度都是每秒钟299792458米。那“光速不变原理”为什么会导致时间变慢呢？这可以通过一个简单的思想实验来加以说明。

为方便讨论，我们不妨将光速取一个近似值，也就是每秒钟30万公里，我们假设有一列长度为300米的火车，以每秒钟30米的速度直线前进，再假设有两个观测者，其中的“观测者1”位于这列火车的尾部，而“观测者2”则站在作为静止参考系的地面上。

一切准备就绪之后，如果观测者1利用发光装置从火车的尾部向火车的头部发射一束光，那么根据他的观察，这束光就会在0.000001秒抵达火车的头部，在此期间，这束光的飞行距离其实就是火车的长度，也就是300米。

不过对于站在地面上的观测者2来讲，情况却有点不一样，从他的角度来看，在“光束从火车尾部抵达火车头部”的这个事件中，这束光的飞行距离其实是300.00003米，而之所以多出的0.00003米，是因为在这个事件中，火车还前进了一点距离。

那么问题就来了，在这个事件中，观测者2经历了多少时间呢？如果按照常规的思路来分析，这束光在观测者2看来应该是叠加了火车的速度，也就是每秒钟30万公里再加上30米，如此计算的话，观测者2在此事件中同样也经历了0.000001秒的时间。

然而根据“光速不变原理”，无论是位于火车上的观测者1，还是站在地面上的观测者2，他们所观察到的这束光的速度都是恒定的，也就是说，在观测者2看来，这束光并不会叠加火车的运动速度，依然是每秒钟30万公里，所以观测者2在此事件中经历的时间，其实是0.0000010000001秒。

可以看到，在上述的同一个事件之中，观测者1经历了0.000001秒的时间，而观测者2则经历了0.0000010000001秒，而这也就意味着，观测者1的时间变慢了。

实际上，这种现象就是《狭义相对论》所描述的“时间膨胀”，通过上述的思想实验我们可以清楚地看到，速度越快，“时间膨胀”就会越明显，具体应该如何计算呢？

其实爱因斯坦早已给出了详细的公式，即：“T = t/根号下[1 - (v^2/c^2）]”，其中T、t、v、c可以分别代表地球上的时间、宇宙飞船的时间、宇宙飞船的速度以及真空光速。

据此可以计算出，当宇宙飞船的速度达到0.9999倍光速时，时间就会膨胀大约70.71倍，也就是说，地球上经历了100年的时间，宇宙飞船上的时间却只度过了大约1.41年。

所以如果一艘宇宙飞船以0.9999倍光速飞行100光年，那么对于地球上的观测者而言，这艘宇宙飞船确实需要大约100.01年，但对于乘坐这艘宇宙飞船的人来讲，他们却只需要大约1.41年的时间。

值得一提的是，尽管“时间膨胀”令人很难接受，但在过去的日子里，科学家已经在实验中对其进行了多次验证，例如“飞行钟实验”、“μ-介子实验”等等。因此可以说，这种现象是客观存在的，或许在不太遥远的未来，人类可以利用这种现象大幅缩短在星际航行时所需的时间，从而进入浩瀚的星辰大海。