一秒钟很短？对于近光速飞行的宇航员来说，每秒都在经历沧桑巨变

　　一秒钟有多短？这个问题看似很简单，因为一秒钟真的很短啊，短到我只能利用一秒钟的时间来完成一些琐碎细小的事情：
　　比如今天我写的这文章，将鼠标指针从屏幕上移动到＂发表＂按键，再按下它，估计也就是一秒钟的事情；再比如一次平静的呼气或吸气，需要的时间大概也是一秒钟；类似的事情还有不少
　　但今天这篇文章并不是想反过来介绍＂一秒钟其实能完成很多复杂的事情＂，而是想从接近光速飞行的宇航员的角度，来介绍一个人们在初次接触相对论都会深感疑惑的事情——＂时间膨胀效应＂。
　　单从时间膨胀这四个字来看，时间这个名词怎么能用膨胀描述呢？时间这种概念，并不是实体，何来膨胀一说。而且时间难道不是对每个人都是公平的吗？难道每个人经历的时间还会不一致吗？
　　这个问题很好，在1905年之前，人们对此确信无疑。在牛顿力学体系中，时间确实犹如正义之神忒弥斯手中的天秤，却不会因私情而偏向任何一方，每个人所经历的时间都是一致的，既不会多一秒也不会缺一秒。
　　但1905年，随着一篇论文的出世，看似完备的物理大厦开始了震颤，而引起这一切的就是一位名叫阿尔伯特·爱因斯坦的年轻人，虽然当时他只是一位专利局的小职工。关于爱因斯坦的故事，这里就不多说了，想必大家都有所了解。
　　这篇论文也就是后来的狭义相对论，爱因斯坦在这篇论文里利用光速不变原理和狭义相对性原理这两条看似简单的原理，将狭义相对论推演了出来。而时间膨胀只是其中的一个结论，那么这个结论到底说了什么呢？
　　让我们再看一眼标题：＂对于近光速飞行的宇航员来说，每秒都在经历沧桑巨变＂，这种描述从直观上来看，有些莫名其妙，但实际上却是对时间膨胀效应的生动描述。
　　因为对于宇航员来讲，他们以接近光速的速度飞行一秒（一秒钟的时间是从他们的手表上直接得到的结论），但这个一秒只是飞船内部的时间，对于地球上的人来说，因为飞船的速度极高，其内部的时间流逝将会减缓，而地球的时间却在正常流逝，并且飞船内部的时间减缓程度是随飞船速度呈正比的，因此就出现了这样的现象，飞船内过去了一秒，而地球上的时间却已过去了很久。
　　（当然了，真实情况下飞船必须经历加速过程，而这一点实际上在狭义相对论中也可以进行讨论，只要规定讨论的大背景是平直时空即可，这点在这篇文章中先不做讨论。）
　　可以看下图的公式：
　　其中T是外部世界的时间，t是飞船内部的时间，v是飞船速度，c是光速
　　关于这个公式，如果你不了解狭义相对论中的洛伦兹变换也没关系，文章的最后将会介绍一种通俗易通的推演方法。但这里让我们先来解决一个问题，前几天有朋友问了我这样一个问题：
　　飞船进行一分钟的光速旅行，当宇航员回到地球时还能见到家人吗？
　　我的回答首先是明确了一下题目中规定错误，飞船再快，它的速度也不能达到光速，借用上面的公式，大家可以看到分母内的根号式，显然从数学上来讲，飞船的速度不能等于光速，当然了，关于这一点在狭义相对论中有更加详细的结论，这里先不多说了。
　　之后，我们将其改为速度无限接近光速，那么题目的答案是否定的，因为宇航员的家人都早已过世了，或者宇航员自己早已死亡。
　　这个问题的关键在于时间，1分钟是相对于谁而言，分两种情况：
　　①这1分钟是飞船内部的时间
　　这就需要考虑狭义相对论的影响了。虽然飞船内部只过了一分钟，但因为时间膨胀效应，外部世界的时间在飞速流逝，这个流失的速率和飞船速度成正比，越是接近光速，那么外部时间就流逝的越快。
　　有可能是飞船内部一分钟，地球上已经过去了一小时、或者一个月、甚至一万年，如果愿意的话，一万亿年都是可以的，就不谈地球上的人类了，这么久的时间，连地球样貌都已经发生巨大改变了（当然了，宇宙的命运走向就暂时不考虑在内了）。
　　很显然如此夸张的时间跨度，对于地球上的家人来说，铁定是撑不到头了，因此，宇航员回来时会发现家人早已去世。
　　②这1分钟是地球上的时间
　　也就是说地球上家人只需等待1分钟，然后飞船就回来了，结果就是家人团圆。
　　但结果真的是这样吗？这里有一点不能忽视，那就是加速度，因为飞船需要在一分钟内完成出发和返回两个过程，因为飞船需要在短短数十秒内经历极强的加速度影响。
　　而这个加速度的下限值就是五百万米/秒^2，结果显而易见，飞船因为极高的加速度而导致整体破碎，内部人员直接死亡（就算不破裂，内部人员也得死亡，因为这个加速度相当于51万倍重力加速度）
　　那么结论就是：不论这1分钟是谁的时间，都没有好结果，要么坐飞船的人死亡，要么地球上的家人老死。如果是后者结果，那么宇航员在飞船内部的每分每秒，外部世界都在不停的发生着沧海桑田式的变化，这是真的度日如年。
　　地壳运动、沧海桑田
　　附加内容：关于狭义相对论时间膨胀公式的一种通俗的推演方法
　　我们可以想象在一节匀速直线运动的列车车厢内，垂直于车厢天花板和底板有两块反射镜，大量的光子在之间来回反射，那么对于列车这个参考系，光线的路径应该是垂直于车厢的。
　　但对于地面参考系而言，由于列车本身具有速度，因此光线的路径应该是折线式前进，如下图所示：
　　很显然，两个参考系内的光线所走过的路程是不相等的，但又因为两种情况下，光线都是一起达到B点的，也就是说两种情况下的光速是不一致的。不过这是一个错误的结论，因为光速不变原理要求，任意参考系内的真空光速都是一致的。
　　因此按照这样的规则，我们进行下图所示的简单运算，就能得到时间膨胀公式。
　　本篇文章的内容到此结束。
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