这个问题其实涉及到狭义相对论,但其实并不难回答,实际上,飞船内的时间到底如何流逝取决于观测者是谁,如果实在飞船里的人,他感受到的时间就是正常的,而在地面上的观测者看到的飞船时间的流逝就是无限接近于静止的。那这该如何理解呢?我们要从相对论说起。
相对论
1905年,年仅26岁的爱因斯坦发表了4篇开创性的论文,其中后两篇被我们现在合称为狭义相对论。
相对论发表的当年并没有像大家所想到的那样轰动全世界,爱因斯坦其实是在13年后,因为爱丁顿验证了广义相对论才轰动世界的。狭义相对论刚发表只引起了学术圈一部分学者的关注。而且有很多学者其实并不能够理解相对论到底说了什么?
而其中一个本质原因就是相对论距离我们日常生活实在太远了。牛顿力学就更像是生活中的物理学,到处都能用到。
相对论适用范围特别广,尤其是高速或者引力大时,其相对论效应更为明显。正是这种超脱我们所生活世界的离奇现象,让很多物理学家一时半会无法接受。
那狭义相对论到底说了什么呢?
大多数人上初高中时,都会学到运动学。我们也都知道,在牛顿的体系下,无论是谁在看,一米就是一米,一秒就是一秒。并不会因为观测者的运动状态发生改变而改变。
而爱因斯坦则认为不是这样的,实际上,长度和时间,甚至包括质量和能量,都会因为观测的运动状态的改变而发生变化。这么说太抽象了,我们可以来举个例子。
如果,有一艘飞船从你脑袋顶上飞过,那这个时候,当飞船飞的速度越快时,你所看到的飞船的长度也会越短。
下图是0.1倍光速时的情况:
如果速度变为0.8倍的光速是下面这样:
如果速度变为0.95倍的光速就是这样:
这其实就是狭义相对论中的尺缩效应。当然,尺缩效应只是比较反常识的其中一个结论,其实还有一个让很多科幻小说家经常使用的理论:时间膨胀。这个时间膨胀是什么意思呢?
时间膨胀
其实说的就是运动对于时间的影响。我们还是用飞船和地面观测者为例。如果有一艘飞船从地面观测者的脑袋上飞过。那从地面观测者的视角来看,飞船上的时间流逝得就比较,而自己的时间是正常的。(下图中,就是从地面观测者的角度来看的结果,上面就是地面观测者的时间,下面是飞船上的时间)
听起来还是很抽象,那该如何理解呢?我们来继续做一个简单的假设,如果地面参考者做起了广播体操,而飞船上也有一个人,他也做起了广播体操。这个时候,地面观测者看到的飞船上的人做的广播体操就是慢动作的广播体操。
所以,飞船相对于地面观测者的时间膨胀了,好比飞船上过了1秒,地面观测者要过2秒。但这里有个重点要记住,这是从地面观测者的角度来看。除此之外,他们各自感受到自己的时间都是正常流逝的。那如果飞船上的人也看向地面观测者呢?实际上,我们都知道运动是相对的。因此,飞船上的人看地面观测者其实也是在以接近于光速远离自己。也就是说,地面观测者相对于他也是时间膨胀的。所以,飞船上的人看到的地面观测者的广播体操也是慢速版本的,就好比飞船过了2秒,地面观测者才过了1秒。而同样的,以上都是从飞船上的人的角度来看,而他们各自感受到自己的时间流逝都是正常的。
听起来是不是很神奇?实际上,爱因斯坦之所以能够推导出相对论是基于两条基本假设:
光速不变原理相对性原理(或者也叫做伽利略变换)然后,爱因斯坦就类似于做几何证明一样,在已知这两条假设的前提下,推导上文中的这些结论。但是到底对不对还是要靠实验说话。关于狭义相对论的实验,科学家其实已经做了很多,比如:μ子实验。这些实验都证明了狭义相对论是要比牛顿力学更为精准的理论,这才使得狭义相对论成为了主流理论。
(这里先多强调一句,实际上,要让飞船无限接近于光速是很难的,因为根据相对论,速度越快,质量越大,加速就越难,要达到光速的是需要无限大的能量。因此,要接近于光速其实是一件很难的事件。)