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王亚平在太空中变年轻了?“天上一天,地上一年”是真的吗?

2021-11-25  火星科普

目前,神舟十三号的三位航天员翟志刚、王亚平与叶光富,已经在中国空间站上度过了一个多月的时间。作为首位进入中国空间站的女航天员,王亚平的一举一动备受大家的关注。

2013年,王亚平乘坐神舟十号载人飞船首次飞入太空。在轨飞行期间,王亚平给我们上了一堂精彩纷呈的太空课。除了有趣的内容深深吸引大家之外,王亚平的美也打动人心,她那由内到外散发出来的自信与美丽让人印象深刻。

无论是神舟十号,还是神舟十三号,王亚平无疑是颜值担当。正所谓“爱美之心人皆有之”,但到了太空中之后,各方面条件受到限制。所以大家可能会好奇,王亚平如何在太空中还能保持这种完美的形象呢?

通过对比上太空前后的照片,可以看到三位航天员在太空中待了一段时间后,脸部变得圆润起来,其原因并不是他们都吃多长胖了,而是因为太空的失重环境引起脸部出现浮肿。

首先需要明确一点,航天员在太空中失重,并不是不受地心引力的作用。根据万有引力定律,地心引力的大小反比于物体到地心距离的平方。地球表面距离地心大约6371公里,而航天员在太空中离地面的高度大约为390公里,所以这么小的距离变化,不会让引力消失。计算可知,相比在地球表面上,航天员在太空中受到的地心引力作用只变弱了12%。

由于航天员绕着地球快速飞行,近似做圆周运动,速度可达每秒7.7公里,在这么快的速度下,地球对航天员的引力作用刚好充当了圆周运动的向心力,所以航天员感受不到地心引力施加的向下重力加速度,出现失重现象。

在失重的太空中,航天员不需要对抗向下的重力,这会导致身体的肌肉逐渐萎缩,骨质不断流失。失重还会让航天员体内的体液重新分配,一些体液会涌到头部,导致面部出现浮肿。如果航天员不适应太空环境,身体不但不会变胖,可能还会出现体重下降,面部浮肿只是航天员变胖的假象。

王亚平对此很乐观,她表示在太空中,自带美颜效果,人的皮肤在失重环境中就像做了“拉皮”一样,所以太空中的王亚平也依然美丽动人。这是王亚平的太空近照,现在看起来面部浮肿已经好了很多:

说到“天上”,大家可能会想到一个传说:“天上一天,地上一年”。那么,天上的时间真的会变慢吗?航天员在太空中真的会因此而变得更年轻吗?

事实上,这种现象在理论上确实是可能出现的。该传说涉及到了一个现代物理学概念——时间膨胀效应,时间在不同参照系中的流逝速率并不是完全一样的,这是爱因斯坦相对论的一个重要结论。

根据狭义相对论,相对于静止参照系,运动参照系的时间过得更慢,速度越接近光速,时间越趋于静止。另一方面,根据广义相对论,引力会放慢时间,引力作用越强的地方,时间过得越慢,在拥有极端引力的黑洞附近,时间走得非常慢。

航天员在太空中快速飞行,上面的时间会过得比地球表面上慢。太空中的航天员距离地心更远,受到的引力作用更弱,所以上面的时间会过得更快。那么,航天员的时间究竟是变慢了还是变快了呢?

根据狭义相对论:

上式中,Δt是地球表面的时间,ΔT是空间站的时间,v是空间站的飞行速度,c是真空中的光速。

代入数据可以算出,地球上每过1秒的时间,空间站上会过0.99999999967秒。因此,地球上每过一天,空间站上的时间会累计变慢大约0.0000285秒,也就是28.5微秒。

根据广义相对论:

上式中,ΔT是距离地心r的时间,Δt0是距离地球引力场无穷远的时间,M是地球质量,G是万有引力常数。

代入数据可得,地球上每过1秒的时间,空间站上会过1.00000000004016秒。因此,地球上每过一天,空间站上的时间会累计变快大约3.5微秒。

综合而言,地球上每过一天,空间站上的时间会累计变慢25微秒。王亚平将会在太空中待半年的时间,到了那时,她身上经历的时间将会比地球上的我们更慢大约0.0046秒,也就是4.6毫秒。因此,从相对论角度来看,王亚平在太空中确实变得更年轻了。

尽管这种时间差异极其微小,在航天员身上的变化可以忽略不计,但对于时间精度要求极高的导航卫星而言,这是不可忽略的。由于相对论的时间膨胀效应,导航卫星上的原子钟每天累计走快大约38微秒,而信号以每秒大约30万公里的速度在天地间传播,所以定位误差每天累计超过10公里,所以必须要消除相对论效应。

此外,通过上述公式可知,如果未来人类可以建造出亚光速飞船,让飞船的速度接近光速,时间膨胀效应将会变得非常强大。如果飞船的速度达到光速的99.5%,宇航员乘坐这样的飞船飞向宇宙,当他在太空中飞行1年后回来,地球上已经是10年之后。

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