以0.9999倍光速飛行100光年，需要飛多長的時間？

2022/10/19

如果一艘宇宙飛船以0.9999倍光速飛行100光年，需要飛多長的時間？對于這個問題，一個簡單的答案就是，1光年就是以光速飛行1年的距離，以0.9999倍光速飛行100光年，就需要飛大約100.01年的時間。

實際上，「100.01年」這個答案確實是對的，但它卻不是唯一的，因為根據愛因斯坦提出的《狹義相對論》，時間并不是一成不變的，對于乘坐這艘宇宙飛船的人來講，他們的時間其實會變慢，為什麼會這樣呢？這就要從「光速不變原理」開始講起。

「光速不變原理」是愛因斯坦提出《狹義相對論》的基本出發點之一，其內容可以簡單地描述為，不管你在哪種參考系中觀察，光在真空中的速度都是一個恒定的常數（即每秒鐘299792458米）。

也就是說，對于真空中的一束光而言，無論你處于什麼運動狀態，迎著它運動也好，背向它運動也好，你觀察到的這束光的速度都是每秒鐘299792458米。那「光速不變原理」為什麼會導致時間變慢呢？這可以通過一個簡單的思想實驗來加以說明。

為方便討論，我們不妨將光速取一個近似值，也就是每秒鐘30萬公里，我們假設有一列長度為300米的火車，以每秒鐘30米的速度直線前進，再假設有兩個觀測者，其中的「觀測者1」位于這列火車的尾部，而「觀測者2」則站在作為靜止參考系的地面上。

一切準備就緒之后，如果觀測者1利用發光裝置從火車的尾部向火車的頭部發射一束光，那麼根據他的觀察，這束光就會在0.000001秒抵達火車的頭部，在此期間，這束光的飛行距離其實就是火車的長度，也就是300米。

不過對于站在地面上的觀測者2來講，情況卻有點不一樣，從他的角度來看，在「光束從火車尾部抵達火車頭部」的這個事件中，這束光的飛行距離其實是300.00003米，而之所以多出的0.00003米，是因為在這個事件中，火車還前進了一點距離。