Question

人以光速离开地球一年，再以光速返回，那么地球上过去了多长时间？

Answer 1

光速是宇宙中最快的速度。光速已达到每秒30万公里，而目前人类飞行最快的飞行器每秒仅能几十公里，不到光速的1％。月亮就是距离地球最近的星球，如果有一艘以光速飞行的宇宙飞船，那么从地球到月球的飞行将不到两秒钟。几十年前，从地球到月球的旅程花了十多天。光速是宇宙速度的极限。根据爱因斯坦的相对论，没有什么能比光更快地运动。

尽管光速是无法克服的，但人类并不能实现和解。长期以来，人类一直希望突破光速的极限。有人也提出了一个问题，如果一个人以光速离开地球一年，然后以光速返回地球，那么地球将持续多久。这个问题没有答案，因为如果你以光速离开地球，那么那个人的时间就停滞了，一秒钟，一年甚至一亿年对他都没有影响。

如果说一年是地球上的时间，那么当它回到地球上时，地球已经过去了两年。但是，如果这里是人们在太空飞船上的时间，那么也许地球已经过去了很长时间，或者直到地球不复存在已经过去了很长时间。当然，由于没有物体能够达到光速，因此经过的时间将取决于光速，如果飞行速度是光速的99％，那么它的年数大约相当于地球的七年。随着速度进一步增加，持续时间进一步增加。

没有读过爱因斯坦理论的人，肯定认为是两年，因为在我们传统思想里，无论你什么速度离开地球，以什么速度回来，时间总是两年，时间与你去回的速度是无关的。但爱因斯坦的相对论则不那么认为，飞船上的时间与地球上的时间是不同的，由于存在时间差，就有“孪生兄弟”一老一少的现象发生了，生活在飞船上的一个孪生人，坐飞船太空游，由于飞行速度很快，对于他来说，时间逝去就没感觉了，所以，当飞船重返地球时，还是年轻人的摸样，而在地球上的那个人已经满头白发，老态龙钟了，甚至早己死亡。这就是爱因斯坦的时间亏损(慢钟效应)理论的一个结果。他推出这样的理论，很少有人能理解，只有少数人看了他的论证过程，才会恍然大悟！之所以有这个违背常规的理论，是在假定光速在真空环境下，速度永恒不变，且光速在宇宙中速度为最快，没有其他物质的运动能超过它，这样的前提条件下才证明得出的。目前，光速不变，这点已经得到证明。有没有比光速运动更快的物体呢？目前也未发现。所以爱因斯坦的相对论目前就是正确的。也就是说飞船出去两年回来时，地球己经物是人非了，己不是两年的事情了，而是己经过了几千年的时间了。

这个问题涉及到了爱因斯坦的相对论。

首先，相对论禁止人以光速运动，因为人是有静止质量的，加速到光速需要无限能量。如果有人以足够接近光速的速度离开地球，然后再以相同速度返回，那么，地球上的时间会过去多久呢？

钟慢和尺缩效应

在相对论的框架下，时间和空间不再是绝对的存在，它们会随着观测者所在的参照系不同而发生变化。根据狭义相对论的钟慢和尺缩效应，参照系的速度越快，并且越接近光速，时间会变慢到趋于停止流逝，空间会被压缩到趋于零，具体公式如下：

上式中，ΔT和ΔL分别为运动参照系的时间和距离，Δt和Δl分别为相对静止参照系的时间和距离，v为相对速度，c为光速。

如果太空旅行者的运动速度能够达到0.866c，当他在太空中飞行1年返回地球上之时，地球上的时间已经是两年之后。地球人会认为太空旅行者是在前年离开地球，而不是去年。

如果速度更快，时间膨胀效应越显著，例如，当速度为光速的99.9996252%时，经过1年太空飞行的人回到的将会是365年之后的地球，跟他同个时代的人早已不在人世。而如果太空旅行者以这样的速度飞行1天，地球上的时间将会过去1年，这可谓是“天上一天，地上一年”。

究竟谁的时间变慢了？

不过，相对论表明没有绝对时空，也就没有哪个参照系更高级，所有参照系皆平权。既然如此，地球上的人会觉得太空旅行者因为运动而时间变慢，反过来，太空旅行者也会觉得自己是静止的，地球在远离他，所以地球上的时间会变慢。那么，究竟是谁的时间变慢了呢？

事实上，上述问题讨论的时候已经忽略了一个非常关键的东西，那就是加速和减速的过程。太空旅行者乘坐飞船从地球上出发，需要不断加速才能达到亚光速，回到地球上又要进行减速。也就是说，整个过程都是变速运动，而上述的公式只适合惯性参照系，也就是匀速直线运动或者相对静止的情况。经过加速和减速之后，飞船成了非惯性参照系。

由于太空旅行者需要力进行加速和减速，所以太空旅行者会真切地感受到惯性力，真正在加速或者减速运动的是太空旅行者。加速运动不是相对的，地球并没有加速。因此，时间变慢的是太空旅行者，而不是地球。

1g加速运动

如果要在很短时间内加速到亚光速，所需的加速度非常高，人体根本无法承受。对于长期的太空飞行，加速度为恒定1g是最好的选择，因为这样可以模拟在地球上感受到重力的情况。

在进行太空飞行时，前半程可以用1g加速度不断加速，后半程再用1g减速度不断减速。通过这样的方式，其实也能实现远距离的星际之旅，因为钟慢效应也会变得非常明显。

通过计算可知，如果以这种方式飞到1400光年外的开普勒-452b（有着“地球2.0”之称的系外行星），太空旅行者只要经历大约14年的时间。不过，对于地球上的人来说，太空旅行者飞到开普勒-452b需要1402年的时间。