乘0.99倍光速飞船一年后回来，地球咋样了，会穿越到未来吗？

这是一个关于时间膨胀的话题。关于这个话题过去说过多次，既然很多人还有兴趣，就简单通俗地再说说。不过光速的99%速度航行，时间膨胀效应并不大，可能令这位想看到奇迹的朋友失望。

爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论，是现代物理学的重要基础，它与崛起的量子力学理论共同搭建起了现代物理学的框架。在狭义相对论中，爱因斯坦论证了在不同坐标系时间的相对性和距离概念的相对性，从而得出时间膨胀理论。

低速系时间膨胀不明显

速度时间膨胀理论是指在运动速度越高的坐标系中，时间流速会越慢，距离概念会缩短，这就是所谓的尺缩钟慢效应。但这种效应在一般低速系统并不明显，如我们日常生活以为的“高速”飞机甚至火箭中，虽然也会发生时间膨胀效应，但很微小。

爱因斯坦狭义相对论中给出的速度时间膨胀公式为：t‘=t/√[1-(v/c)²]，式中，t‘是速度时间膨胀效应值；t是低速系观测者第一个时钟时间记录；v是第二个时钟相对第一个时钟的移动速度；c为光速。

根据这个公式，我们可以计算出，在迄今人类交通工具创造的速度下，时间膨胀效应是极小的。即便乘坐每秒7km的宇宙飞船，时间膨胀也是极小。根据上述公式计算，乘坐这种速度飞船的人们，只比地球坐标系时间慢3.89*10^-17，就是10亿亿分之3.89。

我们按天文学采用的儒略年计算，1年为365.25天，为31557600秒，这样乘坐在每秒7km宇宙飞船中的人们，1年就比地球人时间慢了约0.00000000123秒，也就是十亿分之1.23秒。如果一位宇航员在这种速度飞船中度过100年，所经历的时间也只比地球人减慢了1千万分之1.23秒。

所以理论上说宇航员会比生活在地球上的人长寿，不是指乘坐这种速度飞船的宇航员，而是指乘坐接近光速飞船的宇航员。如果在这种低速中，宇航员不但不会长寿，这点速度连重力减小导致的时间变快都抵消不了，而且太空失重状态和比地表大很多的辐射，还会导致宇航员们的身体健康受到损害。

接近光速的高速系统，时间膨胀才明显

如果乘坐在0.99倍光速的飞船里，乘员的时间膨胀效应就比较明显了。根据上述公式计算，在0.99倍光速中，时间膨胀效应会达到7倍，如果这位宇航员在宇宙飞船中过了1年，地球人就过了7年。如果飞船是按地球时间1年回来，那飞船中的人就只过了1/7年，因此短期看起来并不大。

因此，这位宇航员也算“穿越”到了未来，只不过过了几年而已。但这位宇航员如果按飞船时钟旅行了10年回来，地球人就已经过了70年了，那时留在地球的儿子就宇航员离开时的爹还要老了。

速度时间膨胀效应是越接近光速，膨胀效应会呈指数级提升。速度如果达到光速的0.9999倍，时间膨胀效应就达到70倍；达到光速的0.999999倍，则膨胀效应达到707倍。以此类推，每在后面增加两个9，时间膨胀效应就会提升10倍。

因此，如果乘坐一艘达到光速0.99999999999999倍的飞船，前往距我们254万光年的仙女座星系飞一个来回，飞船里的人们只感觉过了8个多月，地球人已经过去了500万年，这时的地球早就物是人非沧海桑田了。如果那时候地球还有人类存在，回来的宇航员就成了祖宗的祖先了。

这是因为在这个速度下，时间膨胀达到了707万倍，也就是飞船上的人过了1天，地球人就过去了707万天。但需要说明的是，宇航员们的寿命并没有延长，他们的感受是过了一天还是一天，和在地球上过的时间没什么两样。

结论：

时间膨胀效应接近光速时变化才会更显著。达到光速0.4~0.5倍时，时间膨胀效应就有了1.1倍左右；当达到光速0.9倍时，时间膨胀效应达到约2.3倍；达到0.99倍时，时间膨胀效应达到了70倍。小数点后面每增加两个9，时间膨胀效应增加10倍，以致无穷。

这只是理论值，真实的宇宙航行中，有提速减速过程，还有引力影响因素。根据广义相对论，引力越大的参考系，时间过得越慢，反之越快。而且根据质速关系的质增效应，随着速度提升，所需驱动的能量和飞船的动质量越大，这种质增效应与时间膨胀效应成正比。

因此，要让飞船达到光速，所需能量和飞船动量将达到无穷大，宇宙只能也不是无穷大，因此这是悖论。这就是有质量物体不可能达到光速，更不可能超越光速的道理。即便让飞船接近光速，也是一个极难以攻克的课题。

人类要突破宇宙航行速度瓶颈，很可能要另辟蹊径，就是通过曲速引擎或虫洞穿越的方式进行，这两种方式理论上可以达到超越光速很多倍到达目的地。但这两种方式不是直接提升飞船速度，而是通过“缩地法”（折叠空间）和“抄近道”（时空隧道）的方法“跨越”到目的地，因此不违背光速藩篱原则，也不会出现时间膨胀效应。

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