空間站太快會產生時間膨脹,王亞平要住6個月會變年輕嗎

神州13號三人組要在空間站駐留長達6個月。空間站距離地面高度約400公里,執行速度約7。68km/s。如果忽略起飛與降落,以該速度從北京飛到上海只需要2分多鐘。

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有些小夥伴提出疑問:速度這麼快,駐留這麼久,航天員會不會產生時間膨脹,減緩衰老?

結論:時間膨脹是相對其他人而言的,並不會改變自己的生理時間。根據《相對論》,三人組時間流逝相對地面會變慢,但差別幾乎可以忽略不計,與地面上的人相比,累積6個月減慢不到1秒。

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時間膨脹效應來源於《相對論》,愛因斯坦用《相對論》重新定義了時間、空間、物質之間的關係,分為“狹義”和“廣義”兩個部分。狹義描述了“速度時間膨脹效應”,廣義描述了“引力時間膨脹”,空間站的時間膨脹為兩者的疊加。

速度時間膨脹

速度時間膨脹指的是高速運動的物體時間流逝速度會變慢。還有一種說法是“動鍾變慢”,高速運動的時鐘擺動會變慢。《狹義相對論》是基於兩條公理:相對性原理與光速不變原理。“光速不變”指的是:

彼此做勻速直線運動的任何慣性參考系中,所觀察到的光速都是一樣的,約為30萬公里/秒(真空中)。

下面舉例說明一下:

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妹妹在地面上

假設一對孿生姐妹,姐姐是航天員乘坐0。866倍光速的飛船出征星辰大海,臨行前妹妹將兩個同步的光鍾分給了姐姐一個,光會光鍾內上下襬動進行計時。

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姐姐在飛船上

由於速度是相對的,所以假設妹妹不動(以妹妹為參考系)。妹妹看向飛船,非常震驚,因為她發現飛船上姐姐的光鍾軌跡為沿飛船速度方向“斜上斜下”運動,自己身邊的光鍾是“直上直下”的。

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由於光速“C”對於兩人來說是一樣的,但斜線更長(t=斜邊/C),所以妹妹認為姐姐的光鐘擺動慢了,姐姐衰老的速度將比自己慢。根據勾股定理可以計算出:如果姐姐光鍾走了1年,那麼妹妹的光鍾會走2年,妹妹比姐姐大1歲。

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如果以姐姐為參考系(飛船不動),地球以0。886C離飛船遠去,姐姐也會發現妹妹的光鍾走斜線,變慢了,自己應該比妹妹大1歲。由於速度是相對的,所以結果是一樣的。那麼姐姐返航後,誰更大?

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答案是妹妹,我們引入第三方“地球”為參考系最好解釋,飛船始終是“動鍾”,由於動鍾變慢,所以重逢時姐姐更年輕。

實驗與空間站

速度時間膨脹有點反常識,但1941年就已經被μ子觀測實驗所證實。μ子是一種極不穩定的粒子,由宇宙射線撞擊大氣分子所產生,平均壽命只有2。2微秒,衰變之前能移動的距離不到700米。

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按理說山頂觀測到的μ子,還沒到海平面,它們就該消失了。然而,海平面依然能觀測大量μ子,而且只比山頂觀測到的少了一點。這是因為μ子速度接近光速,時間膨脹效應使其衰變速度減慢了約10倍。

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我國空間站速度大約為7。7km/s,看似很快,但相對於光速僅不到十萬分之三,所以速度產生的時間膨脹很小。透過速度時間膨脹公式計算,結果約為5。2毫秒(累計6個月的量)。

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引力時間膨脹

《廣義相對論》講述了“引力時間膨脹”,引力越大,時間流速越慢。相對於地面上的人員,空間站離地球更遠,所受引力更小,因此時間流速會更快。

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物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。

簡單來說:時空就像一塊海綿,當物質出現在其中,時空就會出扭曲。光總是在時空中尋找兩點間最短的路線,在一般情況下(平直時空)它們沿直線傳播,但經過質量較大的天體時,光的行進路線會出現明顯的偏轉。例如:黑洞可以讓光“只進不出”。

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實際上,這是光在扭曲的時空中沿短程線行進的現象,光偏轉的角度就是時空的曲率,這是引力的本質。由於光經過扭曲時空所需時間更長,所以空間曲率越大,時間流逝就會越慢。

不過,地球的質量在宇宙中連塵埃都排不上。空間站離地面約為400公里,雖然地面引力更大些,但引力產生的時間膨脹非常小。

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根據場方程的史瓦西真空解,6個月累計的引力時間膨脹會導致地面比空間站慢0。68ms,或者說空間站比地面快0。68ms。綜合速度和引力兩個因素,空間站6個月,總計比地面慢4。52ms。因此航天員,在我們眼裡這輩子將會多活4。52ms,但對於他們自身而言依舊不變。這種差別對於人來說可以忽略不計,但對於空間站來說卻十分重要。

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空間站平均每天比地面慢25。4微秒,根據其高度,定位誤差會達到7。6km,6個月不修正將達到1300多公里。因此衛星發射前都會調慢原子鐘的振幅,例如GPS衛星,高數萬裡,引力時間膨脹佔主導,每天都會比地面快38微秒,如果不修正,一天下來地面導航誤差能達到10多公里,一不小心就會把汽車引到溝裡。

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