大象装进冰箱里相对论或许有方法

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如果未来的某一天，地球即将毁灭，所有的人都需要移居到其他星球才可以继续生存。很幸运，人类已经发行了一颗和地球很像的移居星球，不过它在距离地球100光年的地方。人类也建造出来了一艘大型飞船可以进行宇宙航行，不过上面的能源很少，即使让所有人都休眠也只够使用50年。可是那一颗星球却距离地球100光年，光年是一个距离单位，代表着光跑1年的距离。这就是说，光从地球到那颗星球都需要100年，飞船速度再快又怎么能够快过光线呢？会不会还没有到达那里就因为能源不足而失败呢？

你已经听了这么久的相对论知识了，所以肯定是不会担心这个问题的。因为你知道，只要速度够快，时间就会变慢的，所以只要飞船快到一定程度，那么就可以不用50年就能到达那里。你还知道越接近光速，那么时间就越慢，如果能达到光速的话那么就相当于时间静止了。不只这些，你更知道飞船是永远不会达到光速的，只能无限接近，因为任何有静止时有质量的东西都不会达到光速。速度越快的质量越大，真的达到光速的话，那质量就会达到无穷大了，而这是不可能的。

这些道理你是都懂的，可是你想过没有，如果你坐在飞船上离开地球飞往100光年的另一颗星球，本来最少最少也需要100年的时间，结果根据相对论的解释不到50年就会到达。这代表着什么？100年到达是光的速度，那就代表着任何不到100年就能到达的速度，那一定是超过光速的。不到50年就可以到达，是不是就代表飞船要超过光速才可以呢？

如果你也是这么想的话，那么你其实是被我的一句话误导了。这句话就是100年达到那颗星球，是光的速度，而不到100年到达那颗星球就超过光速。你发现这句话的问题了吗？或许没有发现，你觉得这句话完全没有问题。就比如说，进行100米的赛跑，的确是用的时间越少，那么跑的速度就越快。乘坐飞船到达遥远的星球也一样啊，起点是地球，终点是100光年外的外星球，50年到达肯定是要比100年到达肯定会更快的，不是吗？

还真不是。因为上面所有的一切，都有一个前提，就是距离是不变的，起点和终点不会因为速度的改变而改变。而实际上，距离会和时间一样因为速度变快而变得越来越短。

其实不知这样，我们再来理一下这个问题。光100年之后可以从地球到底那颗星球，这个100年是对于谁来说的呢？是对于地球上观察的人来说的。而对于飞过去的光来说，它会感觉到一瞬间就到了目的地，没有花一点时间。因为越接近光速，时间越慢，如果速度等于光速的话那么就相当于时间就静止了。

而我们说的飞船会用少于50年的时间飞到目的地，这里说的其实是对于飞船上的人来说是少于50年的，如果还是从地球上看过去，这个飞船飞到目的地的时间一定是超过100年的。而且还会看到，这个飞船上所有人的所有动作都会因为时间变慢而变成了慢动作。

这个问题解决了，从地球上看飞船并没有超过光速。可是如果从飞船上去看呢？它的确花了不到50年的时间，走过了100光年的距离啊。我们可以这样来想想看，你乘坐宇宙飞船快速飞向目的地星球。因为你是和飞船一起运动的，所以你是不会感觉到快速移动的，不过运动都是相对的，就像是在火车上一样，你会看到窗外的景象飞速向后移动。所以，在飞船上你会看到目的地星球快速朝着宇宙飞船进行移动，不到50年就会移动到飞船身边。目的星球不用50年就移动到了飞船边，它们本来是相距了100光年的，这岂不是说这颗星球移动的速度会超过光速吗？这个问题如何解决呢？

答案很简单，速度、时间和移动距离是一组相关物理量，这个我们已经很熟悉了。这3个物理量里面，其中2个我们是现在是清楚的。时间是不到50年，根据相对论速度是不可能超过光速，所以现在只有距离是没有限制的。于是唯一可能的答案就是，随时速度的增加，不只是时间变慢了，距离也变短了。如果不是这样的话，那就是相对论错了。

这就是相对论另一个结论了，同样颠覆了我们的常识。我们认为长度是不会改变的，现在看来并不是这样了，它会改变，而且和时间一样，也是随着速度而进行变化。在速度运行的方向上，速度越快，长度越短。比如说，在一个以0. 99倍光速相对于地球航行的飞船上，100光年的距离会缩短成14光年。如过是0. 9999倍光速航行，那么100光年就会缩短到只剩1光年。如果宇宙飞船再快，已经可以逼近光速了，比如0. 999999999倍光速，那么100 光年的距离只要在两天之内就可以完成了。

听到这个数字，会不会觉得星际旅行还是非常有希望的，几百光年只要速度够快，也就是几天的时间，和在地球上长途旅行差不多。如果真是这么想的的话，那就太简单了，关键问题是如何把飞船加速到0.999999999倍光速呢？不要忘记了，速度越快质量就会越大，那就代表着，需要的燃料和能量就越多。如果真要把飞船加速到0.999999999倍光速，那么质量是要增加20000多倍的。想把这么重的东西加速，那是非常非常耗费能量的。而且加速所需要的燃料也需要放飞船上，它们也是有质量的，所以最后反而让加速更加困难了。大家想想看，为什么火箭会一边飞一边解体呢？就是把多余的质量扔掉，可以更容易加速。

所以，想和在地球上旅行一样在星际之间旅行理论上是可以的，但是实现起来却非常困难。

速度快，可以让长度变短，这一点我们应该是可以接受了。不过这就完了吗？我一直举得一个例子就是，科学理论就像是一个魔方，我们让距离可以变短来适应了相对论，算是拼出来魔方的一面，但是拼出这一面的同时，会不会又再次把其他面给破坏了呢？

在回答这个问题之前，我们先要知道这样一个现象。刚才我们想象的星际旅行，是假设你在飞船上和飞船一起运动，你会看到在你航行路线上的距离都变短的，因为它们相对于你来说是运动的。而对于地球上来的人来说，飞船是在运动的，所以在它们看了是飞船会在速度的方向上变短了，就像是被压缩了一样。

好，明白了这个道理。那么可以来想象一下这样的一个情况。有一列未来的火车，速度很快，可以用0.99倍的光速向前行驶。前面有一个隧道，这个隧道并不长，只有火车静止时的一半的长度。也就是说如果火车正好停车在隧道里面的话，这个隧道是装不下火车的，会前面露出来一点，后面露出来一点。可是它运动起来就不一样了，我们知道速度越快长度是会变短的，火车以0.99倍光速运行，那么在地面上看来，火车将会只有不到原来的五分之一长，那么是可以轻轻松松装进隧道里面的。

我想大家一定不会觉得这一点有问题。不过，接下来问题就来了。速度是相对的，对于地面上的人，或者说对于隧道来说，火车是运动的，但是反过来我们也可以说隧道对于火车上面的人来说是运动的啊。所以，火车上的人会看到隧道以0.99倍的光速向自己运行过来。问题出现了，隧道是运动的，那么隧道的长度就会变短，本来它只有火车静止时长度的一半，现在更短了，更不可能把火车装在隧道里了。这样，就出现了一个大问题，有矛盾了，同样的火车，同样的隧道，在地面上去看，和在火车上去看会是完全两种情况，一个是火车装不进隧道，一个是可以装进隧道，到底哪个是对的呢？出现这样的矛盾，是不是说相对论出现了问题呢？大家可以思考一下，我们下一次来解决这问题。