Vai jūs patiešām novecotu lēnāk uz kosmosa kuģa ar tuvu gaismas ātrumu?

Ātrgaitas ceļojumi. Kreigs Kormaks / Flickr

Katru nedēļu mūsu kosmosa biļetena The Airlock lasītāji nosūta savus jautājumus, lai kosmosa reportieris Nīls V. Patels atbildētu. Šī nedēļa: laika paplašināšanās kosmosa ceļojumu laikā.

Es dzirdēju, ka laika paplašināšanās ietekmē ātrgaitas kosmosa ceļojumus, un es domāju, cik liela ir šī ietekme. Ja mēs sāktu lidojumu turp un atpakaļ uz tuvējo eksoplanetu — teiksim, 10 vai 50 gaismas gadu attālumā —, kā tas ietekmētu laiku cilvēkiem uz kosmosa kuģa salīdzinājumā ar cilvēkiem uz Zemes? Kad kosmosa ceļotāji atgriezās, vai viņi būs daudz jaunāki vai vecāki salīdzinājumā ar cilvēkiem, kuri palika uz Zemes? - Seržs

Laika paplašināšana ir jēdziens, kas parādās daudzās zinātniskās fantastikas, tostarp Orsona Skota Kārdas mākslā Endera spēle , kur viens varonis kosmosā noveco tikai astoņus gadus, bet uz Zemes paiet 50 gadi. Tas ir tieši scenārijs, kas izklāstīts slavenajā domu eksperimentā Dvīņu paradokss : astronauts ar identisku dvīni misijas vadībā veic ceļojumu kosmosā ar ātrgaitas raķeti un atgriežas mājās, lai konstatētu, ka dvīnis ir novecojis ātrāk.

Laika dilatācija attiecas uz Einšteina īpašās relativitātes teoriju, kas mums māca, ka kustība caur telpu faktiski rada izmaiņas laika plūsmā. Jo ātrāk pārvietojaties pa trim dimensijām, kas nosaka fizisko telpu, jo lēnāk pārvietojaties cauri ceturtajai dimensijai, laikam — vismaz attiecībā pret citu objektu. Laiks tiek mērīts atšķirīgi dvīņiem, kas pārvietojās kosmosā, un dvīņiem, kas palika uz Zemes. Kustībā esošais pulkstenis tikšķēs lēnāk nekā pulksteņi, kurus mēs skatāmies uz Zemes. Ja jūs varat ceļot tuvu gaismas ātrumam, efekti ir daudz izteiktāki.

Atšķirībā no Dvīņu paradoksa, laika paplašināšana nav domu eksperiments vai hipotētisks jēdziens — tas ir reāls. The 1971. gads Hafele-Kītinga eksperimenti to pierādīja, kad lidmašīnās, kas lidoja pretējos virzienos, lidoja divi atompulksteņi. Relatīvā kustība faktiski bija izmērāma ietekme un radīja laika starpību starp diviem pulksteņiem. Tas ir apstiprināts arī citos fizikas eksperimentos (piemēram, ar ātri kustīgām miona daļiņām nepieciešams ilgāks laiks, lai sabruktu ).

Tātad jūsu jautājumā astronauts, kurš atgriežas no kosmosa ceļojuma ar relatīvistisku ātrumu (kur sāk izpausties relativitātes ietekme — parasti vismaz vienu desmito daļu no gaismas ātruma ) pēc atgriešanās būtu jaunāki par tāda paša vecuma draugiem un ģimeni, kas palika uz Zemes. Tas, cik tieši jaunāks ir, ir atkarīgs no tā, cik ātri kosmosa kuģis ir pārvietojies un paātrinājies, tāpēc mēs nevaram viegli atbildēt uz to. Bet, ja jūs mēģināt sasniegt eksoplanetu, kas atrodas 10 līdz 50 gaismas gadu attālumā, un tomēr nokļūt mājās, pirms pats nomirstat no vecuma, jums jāpārvietojas gandrīz gaismas ātrumā.

Šeit ir vēl viena pieminēšanas vērta grumba: laika paplašināšanās gravitācijas ietekmes rezultātā. Jūs, iespējams, esat redzējis Kristofera Nolana filmu Starpzvaigžņu , kur melnā cauruma tuvums izraisa ārkārtīgi daudz laika uz citas planētas (viena stunda uz šīs planētas ir septiņi Zemes gadi).

Arī šī laika dilatācijas forma ir reāla, un tas ir tāpēc, ka Einšteina vispārējās relativitātes teorijā gravitācija var saliekt telpas laiku un līdz ar to arī pašu laiku. Jo tuvāk pulkstenis ir gravitācijas avotam, jo ​​lēnāk paiet laiks; jo tālāk pulkstenis ir no gravitācijas, jo ātrāk paies laiks. (Mēs varam saglabāt šī skaidrojuma detaļas nākotnes gaisa slūžu vajadzībām.)

paslēpties