按相對論,《星際穿越》爸爸比女兒年輕的事會出現在人類身上嗎?

王起藥


按照相對論,這樣的事情當然有可能會發生,而且很合理。

星際穿越是好幾年前的電影了,如果沒記錯的話,電影中存在這樣一個場景,主角來到了一顆行星,該行星由於是在一顆大黑洞附近運行的,所以按照廣義相對論,引力能夠影響時間,引力場越強的地方時間過的越慢。

於是就有了“一小時等於7年”的設定,主角在該行星上每過一小時,地球就過去了7年。

至於有人疑惑為什麼在黑洞附近,還能存在完整的星球、主角在穿越黑洞視界時為什麼沒有被撕碎等問題,關鍵在於這顆黑洞的質量非常大,以至於在視界附近的潮汐力足夠低,要知道潮汐力才是引起物體破碎的原因。

雖然潮汐力低,但這並不影響事件視界是個單向膜的性質(好像電影中的黑洞是個旋轉黑洞,那應該存在內外兩個視界,這個設定我記不太清了),也就是說主角在穿越視界後,雖然還活著,但已經沒法再回來了。

除了引力對時間的影響,在狹義相對論中,速度對時間也有影響,這一點對經常關注相對論的朋友來說,應該是老生常談了。

簡單來說,如果一艘飛船相對於某位觀測者(比如地球上的人)快速運動,那麼觀測者的時間和飛船時間的流速是不一致的,飛船時間流逝慢,如果爸爸在飛船裡,女兒在地球上,那麼在旅程結束相遇時,爸爸比女兒年輕是可以實現的。

有人說這不就是雙生子佯謬嗎?運動是相對的,爸爸比女兒年輕,那女兒也可以比爸爸更小個幾十歲啊!實際上,如果二者都是慣性系的話,這句話是對的,但這樣也就意味著爸爸一去不復返,不會再相遇了。

如果相遇,那麼這個過程中就必須存在非慣性系,因此結論的相對性就被打破了,只能是爸爸比女兒年輕。(注意一點,狹義相與廣義相對論的本質區別在於時空是否彎曲,因此雙生子問題屬於狹義相對論,非慣性系只是度規變了而已,不影響時空)

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賽先生科普


基本不會出現,電影中男主角庫珀比女兒年輕,純屬於誇大作用,現實中不可能存在。



引力雖然會導致時間變慢,但是這種時鐘變慢效應並不是很明顯。即便是比地球大130萬倍的太陽,其導致的鐘慢效應也達不到1秒鐘。所以,要想和中庫珀所在的米勒星球一樣,達到和地球的時間比為1小時:7年。那這顆星球的引力少說也得有太陽的幾億倍。而我們的宇宙中最大的恆星也不過是太陽的265倍而已。比太陽大幾億倍的恆星早就因為自身引力成了黑洞了,即便變不成黑洞,如此巨大的引力人站在上面直接就被吸成肉餅了。



另外,庫珀還進入了黑洞,黑洞裡面時間貌似更慢。所以庫珀被從黑洞中“拋”出來後,發現自己的女兒竟然比自己大了好幾十歲。今日黑洞這種情節也就科幻電影裡面可以演了,現實中誰要敢進黑洞,那會被黑洞分解的連渣都不剩的。黑洞周圍巨大的引力,會導致一個人角和頭受力不一樣,從而直接被分解掉。



所以,從實際情況考慮,現實中不可能存在女兒比自己還老幾十歲的情況。


科學探秘頻道



看過《星際穿越》的小夥伴一定對影片的最後大為驚奇,因為在最後依然年輕的主角終於見到了她心愛的女兒,只不過這時的女兒已經老的快要死了,在父女二人生離死別之後,主角就駕駛飛船去尋找女主角了。

影片中的父親之所以比年老的女兒年前那麼多,主要是因為男主深處黑洞之中,黑洞周圍的強引力場會使男主的時間流逝速度相對比地球慢許多,早在男主一行人考察星球的時候就感嘆“一小時七年”,等男主一行人回到飛船之後,黑人大叔已經老了幾十歲了。



導致這種現象的原因就是在愛因斯坦的相對論中就可以得到答案,相對論最重要的一點就是說明了時空一體化以及時間的相對性,也就是說每個人的時間其實都不一樣,而高速運動狀態下的時間流逝速度就會比地球的時間流逝速度慢,愛因斯坦把這種現象稱為時間膨脹。

太空中的衛星就利用到了相對論的時間膨脹效應,因為高速運動下的衛星時間要比地球時間慢一點,根據時間相對性公式就可以把這個誤差消除掉,不然衛星就無法為人類提供服務。

所以只要一個人以近似光速飛行,那麼他的時間和地球上的時間就是不一樣的,這個人可以利用相對論的時間膨脹效應來實現“天上一天地上一年”的目標,這樣一來幾十天過後他回到地球,就會發現孩子們的年齡比自己還大。


宇宙探索未解之迷


《星際穿越》是一部硬核科幻電影,其中包含的物理知識三天三夜也講不完。

蘇格爸作為一名物理工作者和科幻愛好者,這部電影看了不下10遍。

其中最讓我感動、甚至淚奔的就是最後庫柏回到人類在太空中的新家,最終和女兒墨菲見面的情景。


01

最讓我感動的一幕

當年邁的墨菲見到年輕的爸爸時是什麼感受?

當庫柏看到自己將亡的女兒時又是什麼感受?

沒有哪個家長該看著自己的孩子死去

02

是否可以稱為現實?

這種情況是被廣義相對論允許的。


在狹義相對論剛出現的一段時間內,雙生子悖論,成為愛因斯坦挺頭疼的一個問題:

當一對孿生兄弟,一個坐上接近光速的飛船,到太空旅行一段時間;一個繼續留在地球上。
最終,當飛船再次回到地球上時,兩個兄弟是否還一樣大?

這個問題之所以成為悖論,是由於運動是相對的,雙方看對方的時間都是變慢了。

但是,後來愛因斯坦通過對引力問題的思考,提出了廣義相對論,從而解決了這個問題。

根據廣義相對論,加速度和引力其實是一種效果——你根本分不清自己是在被推著加速,還是在被引力吸引。

而加速產生的時間變慢(或者說引力產生的時間變慢)是絕對的。

乘坐時光飛船的那個人,離開時會加速和回來時會減速。

同樣,在一個大的引力場旁邊,時間也會變慢——比如,太陽表面的時間,就比我們地球上慢。

如果是更大質量的天體,產生更強的引力場,那麼時間減慢的效應,會讓爸爸比女兒小的事情在現實中發生!


宇宙物理學


人類自古以來都抱有長生不老的幻想,即使是歷代皇帝都難逃終老。現代人類隨著科學技術的進步,在一些科幻作品中,描述到人類在機器裡睡一覺醒來後,已經是來到500年後的未來,現代人類已經把這項死而復生的冷凍技術投入現實生活中,待未來科技發達後,再將沉睡的他們喚醒。



在許多科幻影片中,還有一種方式能讓人類進入未來時代,此原理是基於愛因斯坦提出的狹義相對論。物體以接近光速飛行,其質量會增大,但物體本身時間相對流逝的更慢!這樣說來物體的速度和質量不一樣就有不一樣的時間,打個簡單的比喻,如果駕駛飛船靠近黑洞,黑洞引力增強,時間流逝越慢,駕駛員的生理反應、舉止、衰老都變慢。可能駕駛飛船靠近黑洞待一天,地球時間已經過去了幾年,駕駛員卻只感覺時間過去幾天。待飛船回到地球時,地球已經是幾年以後的樣子。《星際穿越》爸爸比女兒年輕的事可能在未來某一天會在人類身上得以實現。



科學家曾做個實驗,把粒子加速到接近光速,跟沒有加速的粒子一比較,加速粒子衰老的速度確實減慢了許多。國外有對夫婦駕駛自己的車在公路上行駛,突然他們被一道強光遮住,車子熄火了,儀表到處亂轉,待強光消失後,他們發現自己手錶上的時間比正常時間慢了很多。


雖然說人類可以通過這種方式去往未來,但要想回到過去,那是不可能的,畢竟地球已經真正過去了那麼多年,除非科學家們證實平行宇宙本來就存在。


UFO實驗室


會出現,而且已經出現,只不過出現的效果不是很明顯,我們根本感覺不到!

比如說,對於太空旅行(環地球)的宇航員說,他們的速度比地球上的我們快很多,相對來說時間流逝就慢一些,只不過慢的非常有限而已!

美國航天局也曾經做過實驗,把精確的原子鐘放在告訴飛行的飛機上環繞地球飛行,結果就是原子鐘的時間就是比地球上的原子鐘要慢!

而現實中這種“時間膨脹”的效應時刻影響著我們生活,開車的朋友幾乎都在用GPS定位系統,它的工作原理就必須考慮到時間膨脹效應,否則定位系統會把你導航到溝裡去!

除了速度可以讓時間變慢(說準確點必須有加速減速的過程),引力同樣可以讓時間變慢,而《星際穿越》裡爸爸變得比女兒年輕也正是爸爸在黑洞附近逗留,引力過大造成爸爸時間變慢的原因!

現實中我們很難遇到黑洞那麼大的引力,而且我們每個人受到的引力大小几乎沒有區別,但理論上我們每個人的時間流逝速度真的不一樣,比如說10樓的我就比1樓的你時間流逝快,但差別太小太小,可以忽略不計!


宇宙探索


你這麼提問給人的感覺是不把《星際穿越》中的爸爸和女兒“當人類”?當然了我明白你的意思,這樣的事理論上在現實生活中也可以實現,但是現在並不行。《星際穿越》作為一部硬科幻在劇中出現的黑洞、蟲洞、時間膨脹等都是有理論支持的,諾貝爾獎獲得者基普·索恩作為該劇的科學顧問,以下是他在為《星際穿越》寫公式:

愛因斯坦的相對論提出後打破了牛頓絕對時空觀的統治,雖然現在絕對時空觀依舊深入人心。狹義相對論中的時間膨脹效應指得是物體的運動速度會影響自己的時間流逝速度,運動速度越快時間流逝速度越慢,無限接近於光速的時候時間接近於停止,爸爸的時間流逝接近於停止,女兒的時間正常流逝,自然會出現女兒的年齡大約父親的情況。但是目前來說光速對於我們遙不可及,現在我們的速度不足以使時間出現明顯的差異。

而廣義相對論中的時間膨脹效應指得是,物體是時空發生彎曲,外在表現就是引力的大小,彎曲程度越大引力越大,時間流逝速度越慢。而《星際穿越》中就是因庫伯一行人去到繞黑洞公轉的行星上那裡的1小時等於地球上的7年,並不是因為速度快,而是因為距離黑洞太近引力太大。所以說找個黑洞去附近待一段時間,如果能回到地球上就會出現題中的情況。

目前關於相對論的各種預言也全部都實現了,引力及速度對於時間流逝速度的影響也都實驗驗證過並且在導航衛星上也真實應用了。所以說基於相對論的時間膨脹效應是真實存在的,在現實生活中理論山可以出現像《星際穿越》中爸爸比女兒年輕的情況。


簡單回單,感謝你們的關注與支持,祝好!圖片來源網絡侵刪。


科學黑洞


星際穿越這部電影的科學指導是加州理工學院的物理學家基普·S·索恩。下面照片就是這位科學牛人!



他可是一個真正的牛人啊!是當今世界上研究廣義相對論下的天體物理學領域的領導者之一。學術成就是槓槓的!


看見這本書了嗎?這就是他的著作之一。也是《星際穿越》電影請他做科學指導的重要原因。所以說,星際穿越裡面的科學細節基本上都是靠譜的。我為什麼要說基本上呢?這是因為最後在黑洞裡改變歷史從而達到改變未來的情節真的只是為了故事需要。量子的隨機性就告訴我們,即使宇宙再來一遍,也不可能完全和現在一樣,扯遠了……

星際穿越是目前為止我看到的最“硬”的科幻電影,沒有之一!其中有很多科學梗真的是需要一些知識儲備才能看出其中精妙!

為了切合題意,我就只說說女兒比父親年齡大這個梗吧,這個原理在相對論裡面被稱為時間膨脹,時間膨脹的意思就是說,在高速運動的飛船上的時間會變慢,如同時間膨脹了。下面就是這個時間膨脹的公式,不喜跳過不看,不過別怕,這個公式初中畢業應該能看懂的(我測試了我兒子能不能看懂的,他在我講解下是沒問題的)。


從這個公式裡面可以清楚的看出,當V的數量級在經典物理學範圍內,幾乎對時間的影響不大,但還是有一點影響的(所以說生命在於運動從相對論的觀點看來還是有道理的)。但是當數量級達到比較接近光速時,進行高速旅行的觀察者的時間就變慢了,當達到光速時,時間就停止了。

這個梗在三體裡面也用到過,在葉文傑乘坐的飛船進入了一個宇宙洪流中時,飛船被加速到光速。當他們從光速飛行中脫離出來的時候,發現時間過去了幾千萬年(故事大致是這樣)。

這個時間膨脹原理可是經過了多次實驗證明了的,有興趣可以去看看,這裡就不多說了。

那麼我們人類有沒有可能製造出這樣快速的宇宙飛船呢?答案是可以的。

一種方法是製造太陽帆飛船,這種飛船利用光壓驅動,它不攜帶燃料,所以自身質量較小,有可能被加速到光速的二分之一。這時候相對論時間膨脹的威力就顯現出來了。就可能達到女兒比父親大的結果。


當然,還有其他的一些飛行器構想,只是我覺得這個比較靠譜。最近報道了一個非工質推進器,據說能把飛船加速到十分之一光速,我覺得還不靠譜,就不說了。


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講科學堂


當然,根據相對論,這種情況是完全有可能發生的。


星際穿越中。在不遠的將來,地球的生態環境已經不適合人類生存了,糧食大面積枯死,水資源枯竭,饑荒肆虐,人類面臨著滅絕的威脅,這個時候科學家在太陽系內發現了一個神秘的時空裂口,通過它可以找到外太空以尋找延續生命希望的機會,一個探險小組穿越到了太陽系的外面,他們的目標是找到一顆適合人類移民的星球。這個探險小組的成員之一就是題目中所說的男主角,也就是墨菲的爸爸庫珀,當他踏上為人類延續生命的征途時,他都不知道他何時以及能不能夠回到地球。然而在通過蟲洞的時候,他們發現飛船上一小時的時間相當於地球上的七年,雖然庫珀執行任務的時間不過幾小時,但是對於地球上來說,已經過去了幾十年的時間,所以當他回到地球的時候,他的女兒已經變成了百歲老人,但是他還依舊年輕。

按照相對論所論述的,使時間變慢的方式有很多種,比如說引力的改變,速度的改變都可以影響到時間流逝的速度。速度越大,時間也就越慢,打個比方,假設有一個宇航員駕駛一艘以光速99%的速度行駛的宇宙飛船離開地球,一年之後,他回到地球,實際上地球上已經過了七年,它他會發現一年前上小學的兒子已經長成了一個大小夥子,父母都年老了很多但是自己基本上沒有什麼變化。時間可以隨著速度增加而變慢,這是根據光速不變這個現象推導出的,理論都是從現象中得出的,如果光速不變的話,那麼時空就只能是伸縮的,相對論不是解釋光速不變的唯一理論,但是是目前為止解釋現象最多的且能夠準確預言未知現象的理論,所以得到認可。



引力也可以改變時空,因為引力本身就是大質量物體使周圍空間彎曲的一種體現,在引力場大的地方,時間會過得比較慢,電影中庫珀降落到了一顆中子星上,中子星的引力場強度遠遠大於地球,所以才會出現一小時等於地球七年這樣的事。這裡所說的時間變慢只是相對而言的,對於你本人來說,如果沒有地球上的時間作為參照,你根本不會感覺你活了一小時其實是七年。換句話來說,每一個都有自己的時間量度,在不同的參照系裡,每個人手錶上的指針轉動的速度都是不一樣的,速度越大,引力越強,速度就越慢,但是並不是因為時間變慢了你就可以因此變得永生,哪怕你的一年相當於地球上的500年,那也不意味著你活了500年,你還是隻活了一年,所以想要通過增加速度的方式增加壽命不過是自欺欺人的想法罷了。時間流逝的速度對於每個人都是一樣的,這也正是光速不變原理所解釋的。



還是那句話,這樣的事是可以發生的,至於什麼時候發生在人類身上,這就要看人類什麼時候能夠走出太陽系,什麼時候能夠發明光速級別飛行器,什麼時候可以探索黑洞和中子星了。只有這樣,才能達到使時間膨脹的目的,那就一定可以發生星際穿越裡面那樣的情況了。


鏡像科普


在《星際穿越》中,女兒的父親執行宇航任務,途經黑洞。而回來之後,發現女兒已經是老年人了。

這在理論上當然可能,而且如果按照狹義相對論計算,過程還非常簡單(雖然會引起佯謬)。而如果用廣義相對論的引力時間膨脹來計算,也可以得到類似的結果。

首先一種實現方式,就是靠高速來產生時間膨脹。t' = t0 * sqrt(1-(v/c)^2),其中sqrt()表示開根號。v是速度,c是光速。在速度足夠大的時候,飛船裡的時間就會流逝的慢一些。如果宇航員以很高的速度飛行,在地球上的人可能會覺得自己過了幾十年,而對於宇航員來說,可能只過了幾年。這就是時間膨脹效應。

單獨從狹義相對論計算時間膨脹,可能會引發「雙生子佯謬」。因為從宇航員的視角看,地球的上時間流逝的速度似乎也變慢了。

為了解決這個問題,需要引入廣義相對論。在廣義相對論的理論中,引力也可以使得時間流逝的更慢。這樣飛船在加速時產生的等效引力就會使得時間流速變慢。而這個加速度則是絕對的,這樣就不會引起佯謬。

飛船在經過黑洞時,也會受到很強的引力。這種極強的引力會導致時空被極度的扭曲,從而使得宇航員「永葆青春」,而地球上的人則繼續老去。


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