无限逼近光速的飞船，到达254万光年外的仙女星系，只需28.7年

你有想象过进行星际旅行吗？我们位处的银河系附近，离我们较近的一个大型星系是仙女星系，也称作“仙女座”。它距离我们还算比较近，只有254万光年。

“仙女座”

真没开玩笑，在宇宙的尺度下，这个距离已经够近了。那么，如果我们想要乘坐飞船进行星际旅行的话，显然一般的火箭或者飞船是满足不了我们的。这时我们就需要一艘动力强劲的飞船了，假设我们不考虑飞船的燃料问题，一艘无限逼近光速的飞船想要到达仙女座需要多久呢？

答案是28.7年，你可能会感到非常惊讶吧。同时你还会好奇，从距离上来看，仙女座离我们有254万光年，就算从光速上来看，时间也对不上啊。

究竟是什么变化引起了这种时间上的差异？难道说飞行旅途中真有虫洞吗？文章接下来便会为你详细地解答这一解析过程。

仙女座星系

首先得说一下，飞船并不是超光速，只是无限逼近光速。因为根据现在已知的理论，任何物体都不能进行超光速运动，这违背了当前的物理法则，从逻辑上也说不通。

现在我们来讨论本文的问题，问题的核心在于相对论上。这个众人皆知此理论却又百思不得其解。

狭义相对论下的时空变化

对于该问题，我们则重点放在狭义相对论中。该理论有两个重要的假设，它们分别是：物理定律在所有惯性参考系中是不变的，即没有加速度的参考系；另一个假设为，无论光源或者观察者的运动如何，真空中的光速对于所有观察者都是相同的。

这其中，光速恒定也称作光速不变原理，这是由麦克斯韦的电磁理论证据推动的，狭义相对论的推导取决于这两个明确的假设。其中也包括空间的各向同性和同质性。

之所以要有这种假设是出于物理方面的考量，即物体运动参考必须要符合相对性原理。19世纪后期，洛伦兹变换下的惯性系空间得到了相对区间中守恒和有限的极限速度，从而促使相对论诞生。

1902年时的洛伦兹

所以对于狭义相对论来讲，洛伦兹变换的不变性是狭义相对论的核心。基本上，所有的狭义相对论推导都建立在洛伦兹变换中。在此之下，方程变换中的推导和狭义相对论的物理预测在相对速度与光速相当时最为明显。

狭义相对论中，空间和时间坐标点交织产生了不变区间的概念，在分析简化场景时，一般使用不变量区间的降维形式，即△s²=c²△t²-△x²。

在该公式中，如果△s²大于0，那么两个事件的时间间隔大于空间间隔，并被称为类时分离；如果小于0则相反，称作类空间分离；如果是等于0这种特殊情况，则被称作类光分离。

对于文中的假设，也就是一艘速度无限逼近光速的飞船，从地球飞向仙女座。我们就可以把它看作在惯性观察者的参考系（也就是我们自己所处的时空）中同时发生在两个不同位置的两个事件。

由于两个事件之间的时间间隔在一个观察者到另一个观察者之间不是不变的，而是取决于观察者参考系的相对速度。假设该事件以时钟移动帧为记录，其中一个时钟在未启动的系统S′中处于静止状态。然后时钟在两个不同指针上的位置由△x=0表示。

洛伦兹方程

要想找到这两个系统中测量这些刻度之间，时间之间的关系，便可以通过洛伦兹方程变换得到△t′=r△t,最后得到的结果△x=0。

这就是物理学上所讲的时间膨胀，狭义相对论表明，对于惯性参考系中的观察者。相对于他们移动的时钟将被测量为比其在参考系中静止的时钟慢。

浩瀚的宇宙

这种时空膨胀变化将会使得两个事件所处的时间并不会相同，而是像一种分离的状态，彼此处于不同的时空状态中，但整体上它们却又是处在同一个时空中。

讲清楚我们所有的前置条件和旅行准备后，这艘可以无限逼近光速的飞船启动并出发了。

飞船模拟图

神奇的加速度与时间减缓

基于我们前面提到的所有问题，该飞船的加速不会像化学燃料飞船那样非匀速进行运动，相反我们要让它匀速运动逐渐逼近光速，同时简化一些条件，这样才比较容易进行计算。

我们把飞船的匀速加速定在1G的加速度中，一方面是让飞船内部人员能够感受到和地球上相同强度大引力场，另一方面这种加速度要是能够保持稳定，且时间够长，这样才能从相对论中得到条件加成。

假设所有的条件已经成立，飞船中的人员测量时间，也就是他们都年龄为T，并且在他们开始的非加速参考系中，比如地球中，测量的时间为t。同时我们再根据狭义相对论中光的恒定原理假设恒星在以这个地球为框架中是静止的，参考系中测量的飞船所覆盖的距离是d，飞船速度为v，最后再给出一个条件，任何时刻的时间膨胀或长度收缩因素为γ。

“双曲三角函数”

那么这种具有恒定正加速的飞船在相对论方程中，通过双曲三角函数的带入，便会得到相对应的四组方程。随着时间T的不断增加，地球时间t也会不断的增加。

由于时间膨胀的原因，这种时间加成变化会变得非常夸张，同时可进行的飞行距离也会变得越来越大，随着速度不断逼近，这种差距最后在接近光速的0.999999……%后变得难以计算。

理论上来讲，只需要12年便可以穿越银河系。加速一年后，宇宙飞船将会以光速的77%驶离地球，地球上的人们由于时间膨胀关系，时间过去了1.19年，但飞船上的人们并不会受到影响，因为在他们的时空里，时间是相对正常的。

银河系结构

只需要以这种加速度保持下去，28年就可以达到仙女座了，其中加速14年，减速14年为两个必经阶段。因为要想停下来就必须先进行减速，而不是立马就能够停止飞行。

而且从图中我们也能看到一个非常有意思的事情，由于这种加速变化使得两个观察点的时间出现差异。对于飞船上的人们来讲，时间只过去了12年，但是在地球上已经过去了113243年。

这种变化会随着飞船无限趋近于光速变得的越来越大，根据相对论的解释，如果无限接近光速，那么时间在变化也会无限趋近于停止。

时间变化还不仅仅只是出现在两者观察的不同视线里，即便是在飞船中，你也要选择一个合适的位置才能保证你和你的船员在时空上处于一个同样的水平。

火箭结构

由于速度越来越快，飞船里空间每部分的区域都会有着不同，匀速加速带来的空间影响范围将会变得越来越小。以至于火箭的上层区域会比下层区域“老”得更快，你的身体变化也会出现这种类似的情况。

可能这12年的旅行过去了，你的大脑会出现一定程度的脑萎缩，但你的身体还没来得及“反应”过来。要想安全地渡过飞行，可能趴在地板上才是最好的选择。

“宇宙膨胀”

不过要想进行更长距离的飞行，比如超过1亿光年的距离，这里的公式就不适用了，因为还要考虑更多的变化因素，类似宇宙膨胀这些影响变化。

整个过程下来你是否感受到了这种时空变化带来的奇妙体验？需要注意的是，整个结果是建立在一个简单的数学模型中。其实宇宙中的环境复杂程度远比我们想的要复杂。

美丽的宇宙

你愿意进行宇宙探索吗？

这些数据结果基本都排除了一些干扰因素，只有纯粹的讨论，要想进行宇宙飞行恐怕也没有这么简单。至少不会是理论上显示的那么直接。

就目前而言，人类科技根本就达不到这种速度带来的时空影响。所有目前与之相关的飞行技术、航天飞行在实际过程中所经历到的这种差异非常微小。

国际空间站结构

以国际空间站为例，这是人类目前能够长期在外太空进行空间运动的地方，而宇航员们虽说确实在经历这种相对论变化。空间站每秒7700米的飞行速度6个月下来，宇航员们只会比地球上的时间短0.005秒。

如今在地球上要想体验到这种变化比较大的地方只有粒子加速器了，粒子加速器中的时间膨胀能够让粒子在彼此间发生时间上的改变。根据欧洲粒子实验室的实验记录显示，膨胀时间最久的一类缪子能够被膨胀至64微秒。

“粒子加速器”

相对论下的时空变化也不仅会在加速度上发生，重力也会影响时间的膨胀。简单来讲，重力越大，时间膨胀越明显。这种表现则反映为引力越大时间越慢，而该现象也发生在我们的地球中。

地球的地核年龄据计算要比地壳年轻2.5年，如果用计时器去对地球自转时间进行计算，那么在结果上会表现为高的地方时间会短于地表上的时间测量。

地球结构

最极端的表现则是宇宙中黑洞这一特殊天体了，黑洞极为夸张的引力让它周围的空间发生严重扭曲，时间在这里可能会出现类似接近于光速的时移结果。

但和速度带来的膨胀时间不同，引力时间膨胀没有互惠作用。这意味着随着引力时间的膨胀，两个观察者在靠近引力中心时的时钟变化不会有明显的差异。

黑洞结构

如今科学家还在不断地研究相对论中的物体运动变化，以寻求一个合理的方案能够在实现长距离的星际航行。另外在航天科技上，目前人类也无法找寻到能够全然替代的方案。

电动力火箭虽然有着不错的表现，但是对于星际航行来讲还是比较慢，但要是能够解决一下功率表现和使用寿命，那也是人类的一大进步。

“星际航行”

最后回到一切的起点，在飞船启动之前，你是否会付出这样的代价？

飞船在加速阶段带来的时间膨胀会让你的时间趋于停止，并变得极为缓慢，而你在地球上的朋友、家人都会在这短短12年里彻底消失。想要探索星辰大海就必须付出这种代价，那么你最后还会选择去进行这一场冒险吗？#金猫榜

关键词： 狭义相对论 时间膨胀 粒子加速器

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