如果一個人以光速飛行10秒鐘後再回到地球，他還能見到家人嗎？

2023-04-01 09:40:00

如果一個人以光速飛行10秒鐘，然後返回地球，他還能見到他的家人嗎？為了討論這個問題，我們需要理解時間和速度之間的關係。早在1905年，著名物理學家愛因斯坦就在他的狹義相對論中指出，時間的流逝速度與物體的運動速度密切相關。對於同一個物體，它移動得越快，經歷的時間就越短。這被稱為「時鐘慢效應」。

由於「時鐘慢效應」造成的時間變化在低速時非常小，在目前的科學技術水平上是不可能測量的，所以這一理論無法從長時間的實驗中得到驗證。直到高精度原子鐘的出現，才提供了驗證「時鐘慢效應」的必要條件。1971年，物理學家理察·基廷(Richard Keating)和喬·哈夫勒(Joe Haffler)通過「原子鐘飛行實驗」(將多個原子鐘放置在地面和環繞地球飛行的飛機上，並在飛行後比較不同原子鐘的讀數)首次證實了「時鐘慢效應」的存在。在接下來的幾天裡，這個實驗被反覆驗證，最終被科學界接受。

此外，科學家觀察到的自然現象也可以作為「時鐘慢效應」的證據。來自宇宙的高能射線經常與地球高層大氣相互作用，產生一種叫做μ子的粒子，這是一種非常不穩定的亞原子粒子，平均壽命只有2.2微秒。因此，它們不可能穿過海拔100多公裡的大氣層到達地面，但實際上在地面上可以探測到許多μ子。科學家認為，這些μ子能夠落地是因為它們的高速運動(約為光速的0.98倍)造成的「時鐘慢效應」。

事實證明，愛因斯坦在100多年前就準確預測時間會變慢，那麼他是怎麼知道的呢？

自從1887年的「麥可遜-莫雷實驗」以來，科學家們逐漸認識到這樣一個事實，即在同一種介質中，光速總是一個常數，它不會因為任何參考系統的相對運動而改變，而愛因斯坦的相關理論是基於「光速不變的原理」。

為了說明這個問題，我們不妨做一個意識形態實驗。首先，我們需要兩個用光子來計時的光子鍾。它的計時原理是通過測量光子在兩個平行反射鏡之間的垂直反射過程來定義時間。定義方法是:時間等於距離除以光速。例如，如果我們將兩個反射鏡之間的間隔設計為0.5m，那麼光子完成一次上下運動的時間是1/c秒(注意:這裡的C是光速常數，即29972458米/秒)。

現在我們把一個光子鍾放在地面上，稱之為「光子鍾1」，另一個放在相對於地球高速運動的宇宙飛船上，稱之為「光子鍾2」。我們可以得出結論，在飛船上的人看來，「光子鍾2」中的光子只是做上下垂直運動，但如果以地球為參照，那麼「光子鍾2」中的光子除了做上下垂直運動之外，還會有一個沿著飛船運動方向的附加運動(如下圖所示)。