30岁的宇航员以亚光速飞150年,他回到地球时是多少岁?

根据爱因斯坦的相对论,光速飞船是不会存在的,因为飞船拥有静质量,这就使其无法被加速到光速(c),不然需要无穷无尽的能量。不过,飞船可以被加速到趋近于光速,由此将会产生巨大的钟慢效应。

假设地球上有一位年龄为30岁的宇航员,他乘坐亚光速飞船离开地球。那么,经过150个地球年的飞行之后,再回到地球上,该宇航员的岁数是多少呢?

首先,需要强调的是,但凡谈到相对论效应,需要明确某个时间是相对于哪个参照系来说。因为根据相对论,不同参照系之间的时间流逝速率并非一致。

在这个问题中,亚光速飞船飞行150年,并没有说明这150年是相对于哪个参照系的时间。如果选择不同的参照系,结果将会大为不同。

第一种情况,如果这150年是相对于亚光速飞船参照系的时间,那么,宇航员所经历的飞行时间就是150年。因此,当宇航员回到地球上时,他的岁数已经达到了180岁,这意味着他不可能活着回到地球上,除非他进行了冬眠。

对于地球上的人来说,亚光速飞船的飞行时间又是多久呢?根据狭义相对论,这取决于亚光速飞船的速度(v)。亚光速飞船的时间(ΔT)和地球的时间(Δt)关系如下:

如果亚光速飞船的速度为光速的98.87%,对于地球上的人而言,飞船的太空之旅用了1000年的时间。也就是说,地球上的人会认为宇航员的岁数已经是1030岁。

第二种情况,如果这150年是相对于地球参照系的时间,并假设亚光速飞船的速度为光速的98.87%,根据狭义相对论的时间膨胀效应公式可得,飞船上所经历的时间只有大约22年。因此,当宇航员回到地球上时,他会觉得自己的岁数只有52岁。

然而,当年与该宇航员同时代的地球人早就不在了。因为根据地球参照系,宇航员是在150年前离开地球,宇航员现在的岁数已经达到了180岁。

由于这种时间膨胀效应的存在,使得导航卫星的原子钟需要进行校准,否则它无法与地面原子钟同步,精确导航也就变得不可能。另外,利用这种效应,人类还可以实现飞向未来的时间旅行。只是这个未来不是自己的,而是别人的。

最后,要让飞船在短时间内加速到亚光速很困难,而且人类也无法承受如此巨大的加速度。更为合理的选择是采用1g加速度的匀加速运动,这样在太空中的宇航员也能感受到相当于1g的重力,从而让宇航员能够长期生活在太空中。并且经过长时间的加速之后,也会产生非常显著的时间膨胀效应。