按相对论,《星际穿越》爸爸比女儿年轻的事会出现在人类身上吗?

王起药


按照相对论,这样的事情当然有可能会发生,而且很合理。

星际穿越是好几年前的电影了,如果没记错的话,电影中存在这样一个场景,主角来到了一颗行星,该行星由于是在一颗大黑洞附近运行的,所以按照广义相对论,引力能够影响时间,引力场越强的地方时间过的越慢。

于是就有了“一小时等于7年”的设定,主角在该行星上每过一小时,地球就过去了7年。

至于有人疑惑为什么在黑洞附近,还能存在完整的星球、主角在穿越黑洞视界时为什么没有被撕碎等问题,关键在于这颗黑洞的质量非常大,以至于在视界附近的潮汐力足够低,要知道潮汐力才是引起物体破碎的原因。

虽然潮汐力低,但这并不影响事件视界是个单向膜的性质(好像电影中的黑洞是个旋转黑洞,那应该存在内外两个视界,这个设定我记不太清了),也就是说主角在穿越视界后,虽然还活着,但已经没法再回来了。

除了引力对时间的影响,在狭义相对论中,速度对时间也有影响,这一点对经常关注相对论的朋友来说,应该是老生常谈了。

简单来说,如果一艘飞船相对于某位观测者(比如地球上的人)快速运动,那么观测者的时间和飞船时间的流速是不一致的,飞船时间流逝慢,如果爸爸在飞船里,女儿在地球上,那么在旅程结束相遇时,爸爸比女儿年轻是可以实现的。

有人说这不就是双生子佯谬吗?运动是相对的,爸爸比女儿年轻,那女儿也可以比爸爸更小个几十岁啊!实际上,如果二者都是惯性系的话,这句话是对的,但这样也就意味着爸爸一去不复返,不会再相遇了。

如果相遇,那么这个过程中就必须存在非惯性系,因此结论的相对性就被打破了,只能是爸爸比女儿年轻。(注意一点,狭义相与广义相对论的本质区别在于时空是否弯曲,因此双生子问题属于狭义相对论,非惯性系只是度规变了而已,不影响时空)

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赛先生科普


基本不会出现,电影中男主角库珀比女儿年轻,纯属于夸大作用,现实中不可能存在。



引力虽然会导致时间变慢,但是这种时钟变慢效应并不是很明显。即便是比地球大130万倍的太阳,其导致的钟慢效应也达不到1秒钟。所以,要想和中库珀所在的米勒星球一样,达到和地球的时间比为1小时:7年。那这颗星球的引力少说也得有太阳的几亿倍。而我们的宇宙中最大的恒星也不过是太阳的265倍而已。比太阳大几亿倍的恒星早就因为自身引力成了黑洞了,即便变不成黑洞,如此巨大的引力人站在上面直接就被吸成肉饼了。



另外,库珀还进入了黑洞,黑洞里面时间貌似更慢。所以库珀被从黑洞中“抛”出来后,发现自己的女儿竟然比自己大了好几十岁。今日黑洞这种情节也就科幻电影里面可以演了,现实中谁要敢进黑洞,那会被黑洞分解的连渣都不剩的。黑洞周围巨大的引力,会导致一个人角和头受力不一样,从而直接被分解掉。



所以,从实际情况考虑,现实中不可能存在女儿比自己还老几十岁的情况。


科学探秘频道



看过《星际穿越》的小伙伴一定对影片的最后大为惊奇,因为在最后依然年轻的主角终于见到了她心爱的女儿,只不过这时的女儿已经老的快要死了,在父女二人生离死别之后,主角就驾驶飞船去寻找女主角了。

影片中的父亲之所以比年老的女儿年前那么多,主要是因为男主深处黑洞之中,黑洞周围的强引力场会使男主的时间流逝速度相对比地球慢许多,早在男主一行人考察星球的时候就感叹“一小时七年”,等男主一行人回到飞船之后,黑人大叔已经老了几十岁了。



导致这种现象的原因就是在爱因斯坦的相对论中就可以得到答案,相对论最重要的一点就是说明了时空一体化以及时间的相对性,也就是说每个人的时间其实都不一样,而高速运动状态下的时间流逝速度就会比地球的时间流逝速度慢,爱因斯坦把这种现象称为时间膨胀。

太空中的卫星就利用到了相对论的时间膨胀效应,因为高速运动下的卫星时间要比地球时间慢一点,根据时间相对性公式就可以把这个误差消除掉,不然卫星就无法为人类提供服务。

所以只要一个人以近似光速飞行,那么他的时间和地球上的时间就是不一样的,这个人可以利用相对论的时间膨胀效应来实现“天上一天地上一年”的目标,这样一来几十天过后他回到地球,就会发现孩子们的年龄比自己还大。


宇宙探索未解之迷


《星际穿越》是一部硬核科幻电影,其中包含的物理知识三天三夜也讲不完。

苏格爸作为一名物理工作者和科幻爱好者,这部电影看了不下10遍。

其中最让我感动、甚至泪奔的就是最后库柏回到人类在太空中的新家,最终和女儿墨菲见面的情景。


01

最让我感动的一幕

当年迈的墨菲见到年轻的爸爸时是什么感受?

当库柏看到自己将亡的女儿时又是什么感受?

没有哪个家长该看着自己的孩子死去

02

是否可以称为现实?

这种情况是被广义相对论允许的。


在狭义相对论刚出现的一段时间内,双生子悖论,成为爱因斯坦挺头疼的一个问题:

当一对孪生兄弟,一个坐上接近光速的飞船,到太空旅行一段时间;一个继续留在地球上。
最终,当飞船再次回到地球上时,两个兄弟是否还一样大?

这个问题之所以成为悖论,是由于运动是相对的,双方看对方的时间都是变慢了。

但是,后来爱因斯坦通过对引力问题的思考,提出了广义相对论,从而解决了这个问题。

根据广义相对论,加速度和引力其实是一种效果——你根本分不清自己是在被推着加速,还是在被引力吸引。

而加速产生的时间变慢(或者说引力产生的时间变慢)是绝对的。

乘坐时光飞船的那个人,离开时会加速和回来时会减速。

同样,在一个大的引力场旁边,时间也会变慢——比如,太阳表面的时间,就比我们地球上慢。

如果是更大质量的天体,产生更强的引力场,那么时间减慢的效应,会让爸爸比女儿小的事情在现实中发生!


宇宙物理学


人类自古以来都抱有长生不老的幻想,即使是历代皇帝都难逃终老。现代人类随着科学技术的进步,在一些科幻作品中,描述到人类在机器里睡一觉醒来后,已经是来到500年后的未来,现代人类已经把这项死而复生的冷冻技术投入现实生活中,待未来科技发达后,再将沉睡的他们唤醒。



在许多科幻影片中,还有一种方式能让人类进入未来时代,此原理是基于爱因斯坦提出的狭义相对论。物体以接近光速飞行,其质量会增大,但物体本身时间相对流逝的更慢!这样说来物体的速度和质量不一样就有不一样的时间,打个简单的比喻,如果驾驶飞船靠近黑洞,黑洞引力增强,时间流逝越慢,驾驶员的生理反应、举止、衰老都变慢。可能驾驶飞船靠近黑洞待一天,地球时间已经过去了几年,驾驶员却只感觉时间过去几天。待飞船回到地球时,地球已经是几年以后的样子。《星际穿越》爸爸比女儿年轻的事可能在未来某一天会在人类身上得以实现。



科学家曾做个实验,把粒子加速到接近光速,跟没有加速的粒子一比较,加速粒子衰老的速度确实减慢了许多。国外有对夫妇驾驶自己的车在公路上行驶,突然他们被一道强光遮住,车子熄火了,仪表到处乱转,待强光消失后,他们发现自己手表上的时间比正常时间慢了很多。


虽然说人类可以通过这种方式去往未来,但要想回到过去,那是不可能的,毕竟地球已经真正过去了那么多年,除非科学家们证实平行宇宙本来就存在。


UFO实验室


会出现,而且已经出现,只不过出现的效果不是很明显,我们根本感觉不到!

比如说,对于太空旅行(环地球)的宇航员说,他们的速度比地球上的我们快很多,相对来说时间流逝就慢一些,只不过慢的非常有限而已!

美国航天局也曾经做过实验,把精确的原子钟放在告诉飞行的飞机上环绕地球飞行,结果就是原子钟的时间就是比地球上的原子钟要慢!

而现实中这种“时间膨胀”的效应时刻影响着我们生活,开车的朋友几乎都在用GPS定位系统,它的工作原理就必须考虑到时间膨胀效应,否则定位系统会把你导航到沟里去!

除了速度可以让时间变慢(说准确点必须有加速减速的过程),引力同样可以让时间变慢,而《星际穿越》里爸爸变得比女儿年轻也正是爸爸在黑洞附近逗留,引力过大造成爸爸时间变慢的原因!

现实中我们很难遇到黑洞那么大的引力,而且我们每个人受到的引力大小几乎没有区别,但理论上我们每个人的时间流逝速度真的不一样,比如说10楼的我就比1楼的你时间流逝快,但差别太小太小,可以忽略不计!


宇宙探索


你这么提问给人的感觉是不把《星际穿越》中的爸爸和女儿“当人类”?当然了我明白你的意思,这样的事理论上在现实生活中也可以实现,但是现在并不行。《星际穿越》作为一部硬科幻在剧中出现的黑洞、虫洞、时间膨胀等都是有理论支持的,诺贝尔奖获得者基普·索恩作为该剧的科学顾问,以下是他在为《星际穿越》写公式:

爱因斯坦的相对论提出后打破了牛顿绝对时空观的统治,虽然现在绝对时空观依旧深入人心。狭义相对论中的时间膨胀效应指得是物体的运动速度会影响自己的时间流逝速度,运动速度越快时间流逝速度越慢,无限接近于光速的时候时间接近于停止,爸爸的时间流逝接近于停止,女儿的时间正常流逝,自然会出现女儿的年龄大约父亲的情况。但是目前来说光速对于我们遥不可及,现在我们的速度不足以使时间出现明显的差异。

而广义相对论中的时间膨胀效应指得是,物体是时空发生弯曲,外在表现就是引力的大小,弯曲程度越大引力越大,时间流逝速度越慢。而《星际穿越》中就是因库伯一行人去到绕黑洞公转的行星上那里的1小时等于地球上的7年,并不是因为速度快,而是因为距离黑洞太近引力太大。所以说找个黑洞去附近待一段时间,如果能回到地球上就会出现题中的情况。

目前关于相对论的各种预言也全部都实现了,引力及速度对于时间流逝速度的影响也都实验验证过并且在导航卫星上也真实应用了。所以说基于相对论的时间膨胀效应是真实存在的,在现实生活中理论山可以出现像《星际穿越》中爸爸比女儿年轻的情况。


简单回单,感谢你们的关注与支持,祝好!图片来源网络侵删。


科学黑洞


星际穿越这部电影的科学指导是加州理工学院的物理学家基普·S·索恩。下面照片就是这位科学牛人!



他可是一个真正的牛人啊!是当今世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一。学术成就是杠杠的!


看见这本书了吗?这就是他的著作之一。也是《星际穿越》电影请他做科学指导的重要原因。所以说,星际穿越里面的科学细节基本上都是靠谱的。我为什么要说基本上呢?这是因为最后在黑洞里改变历史从而达到改变未来的情节真的只是为了故事需要。量子的随机性就告诉我们,即使宇宙再来一遍,也不可能完全和现在一样,扯远了……

星际穿越是目前为止我看到的最“硬”的科幻电影,没有之一!其中有很多科学梗真的是需要一些知识储备才能看出其中精妙!

为了切合题意,我就只说说女儿比父亲年龄大这个梗吧,这个原理在相对论里面被称为时间膨胀,时间膨胀的意思就是说,在高速运动的飞船上的时间会变慢,如同时间膨胀了。下面就是这个时间膨胀的公式,不喜跳过不看,不过别怕,这个公式初中毕业应该能看懂的(我测试了我儿子能不能看懂的,他在我讲解下是没问题的)。


从这个公式里面可以清楚的看出,当V的数量级在经典物理学范围内,几乎对时间的影响不大,但还是有一点影响的(所以说生命在于运动从相对论的观点看来还是有道理的)。但是当数量级达到比较接近光速时,进行高速旅行的观察者的时间就变慢了,当达到光速时,时间就停止了。

这个梗在三体里面也用到过,在叶文杰乘坐的飞船进入了一个宇宙洪流中时,飞船被加速到光速。当他们从光速飞行中脱离出来的时候,发现时间过去了几千万年(故事大致是这样)。

这个时间膨胀原理可是经过了多次实验证明了的,有兴趣可以去看看,这里就不多说了。

那么我们人类有没有可能制造出这样快速的宇宙飞船呢?答案是可以的。

一种方法是制造太阳帆飞船,这种飞船利用光压驱动,它不携带燃料,所以自身质量较小,有可能被加速到光速的二分之一。这时候相对论时间膨胀的威力就显现出来了。就可能达到女儿比父亲大的结果。


当然,还有其他的一些飞行器构想,只是我觉得这个比较靠谱。最近报道了一个非工质推进器,据说能把飞船加速到十分之一光速,我觉得还不靠谱,就不说了。


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讲科学堂


当然,根据相对论,这种情况是完全有可能发生的。


星际穿越中。在不远的将来,地球的生态环境已经不适合人类生存了,粮食大面积枯死,水资源枯竭,饥荒肆虐,人类面临着灭绝的威胁,这个时候科学家在太阳系内发现了一个神秘的时空裂口,通过它可以找到外太空以寻找延续生命希望的机会,一个探险小组穿越到了太阳系的外面,他们的目标是找到一颗适合人类移民的星球。这个探险小组的成员之一就是题目中所说的男主角,也就是墨菲的爸爸库珀,当他踏上为人类延续生命的征途时,他都不知道他何时以及能不能够回到地球。然而在通过虫洞的时候,他们发现飞船上一小时的时间相当于地球上的七年,虽然库珀执行任务的时间不过几小时,但是对于地球上来说,已经过去了几十年的时间,所以当他回到地球的时候,他的女儿已经变成了百岁老人,但是他还依旧年轻。

按照相对论所论述的,使时间变慢的方式有很多种,比如说引力的改变,速度的改变都可以影响到时间流逝的速度。速度越大,时间也就越慢,打个比方,假设有一个宇航员驾驶一艘以光速99%的速度行驶的宇宙飞船离开地球,一年之后,他回到地球,实际上地球上已经过了七年,它他会发现一年前上小学的儿子已经长成了一个大小伙子,父母都年老了很多但是自己基本上没有什么变化。时间可以随着速度增加而变慢,这是根据光速不变这个现象推导出的,理论都是从现象中得出的,如果光速不变的话,那么时空就只能是伸缩的,相对论不是解释光速不变的唯一理论,但是是目前为止解释现象最多的且能够准确预言未知现象的理论,所以得到认可。



引力也可以改变时空,因为引力本身就是大质量物体使周围空间弯曲的一种体现,在引力场大的地方,时间会过得比较慢,电影中库珀降落到了一颗中子星上,中子星的引力场强度远远大于地球,所以才会出现一小时等于地球七年这样的事。这里所说的时间变慢只是相对而言的,对于你本人来说,如果没有地球上的时间作为参照,你根本不会感觉你活了一小时其实是七年。换句话来说,每一个都有自己的时间量度,在不同的参照系里,每个人手表上的指针转动的速度都是不一样的,速度越大,引力越强,速度就越慢,但是并不是因为时间变慢了你就可以因此变得永生,哪怕你的一年相当于地球上的500年,那也不意味着你活了500年,你还是只活了一年,所以想要通过增加速度的方式增加寿命不过是自欺欺人的想法罢了。时间流逝的速度对于每个人都是一样的,这也正是光速不变原理所解释的。



还是那句话,这样的事是可以发生的,至于什么时候发生在人类身上,这就要看人类什么时候能够走出太阳系,什么时候能够发明光速级别飞行器,什么时候可以探索黑洞和中子星了。只有这样,才能达到使时间膨胀的目的,那就一定可以发生星际穿越里面那样的情况了。


镜像科普


在《星际穿越》中,女儿的父亲执行宇航任务,途经黑洞。而回来之后,发现女儿已经是老年人了。

这在理论上当然可能,而且如果按照狭义相对论计算,过程还非常简单(虽然会引起佯谬)。而如果用广义相对论的引力时间膨胀来计算,也可以得到类似的结果。

首先一种实现方式,就是靠高速来产生时间膨胀。t' = t0 * sqrt(1-(v/c)^2),其中sqrt()表示开根号。v是速度,c是光速。在速度足够大的时候,飞船里的时间就会流逝的慢一些。如果宇航员以很高的速度飞行,在地球上的人可能会觉得自己过了几十年,而对于宇航员来说,可能只过了几年。这就是时间膨胀效应。

单独从狭义相对论计算时间膨胀,可能会引发「双生子佯谬」。因为从宇航员的视角看,地球的上时间流逝的速度似乎也变慢了。

为了解决这个问题,需要引入广义相对论。在广义相对论的理论中,引力也可以使得时间流逝的更慢。这样飞船在加速时产生的等效引力就会使得时间流速变慢。而这个加速度则是绝对的,这样就不会引起佯谬。

飞船在经过黑洞时,也会受到很强的引力。这种极强的引力会导致时空被极度的扭曲,从而使得宇航员「永葆青春」,而地球上的人则继续老去。


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