相對論“時間膨脹”表明速度越快時間越慢，膨脹的到底是什么？

愛因斯坦的狹義相對論自1905年誕生以來，經歷了一百多年的風風雨雨，如今仍舊屹立不倒，被越來越多的實驗證據支撐，也因此成為了現代物理學大廈的兩大基石之一（另一大基石是量子力學）。

狹義相對論是在兩個假設的基礎上提出來的，這兩大假設分別是：光速不變原理和狹義相對性原理。有了這兩大假設，就可以推導出狹義相對論中的所有基本公式，其中就有時間膨脹效應公式。

時間膨脹，顧名思義就是“時間變慢了”，具體來講就是“速度越快，時間就越慢”。愛因斯坦告訴我們時間并不是絕對的，而是相對的，不斷變化的，也因此推翻了牛頓力學體系下的絕對時空觀。

狹義相對論告訴我們，在不同的慣性系下，時間流逝的速度是不一樣的。最通俗的例子就是，我們地球上每個人的時間流逝速度其實都是不一樣的，只不過差異微乎其微，我們根本察覺不到，也不會對我們日常生活帶來任何影響，所以在我們的固有思維里，還會認為時間是絕對的。

時間膨脹可以分為兩種，速度可以引發時間膨脹，而引力同樣可以引發時間膨脹。

狹義相對論里，速度越快時間就越慢，速度引發的時間膨脹，可以用時間膨脹公式來計算。

而在廣義相對論下，引力越大時間就越慢，引力引發的時間膨脹，同樣也有一個時間膨脹公式來計算。

速度和引力引發的時間膨脹公式，看上去差別很大，但兩者有一個最大的共同點：都包含光速c。顯然這說明了光速在時間膨脹中一定起到了非常關鍵的作用，因此，我們很有必要詳細了解一下光的特性。

光，在我們日常生活中無處不在。毫不夸張地講，人類科學發展史都是圍繞光來展開的，這是因為人類觀測到的一切，幾乎都要依賴光，準確來講是依賴電磁波。

光的本質是電磁波，我們平時所說的光，指的是可見光，而可見光只是整個電磁波譜中非常狹窄的一部分。而電磁波是一種能量，依靠光子來傳遞能量。

除了可見光之外，還有波長更長的無線電波，紅外線，波長更短的紫外線，X射線，伽馬射線等。

雖然光在我們身邊無處不在，但直到近代，科學家們才真正開始研究光的具體特點，測量出了光的傳播速度，大約為每秒30萬公里。

光速，是一個常數，非常重要的常數，任何信息和物體的速度都無法超越這個常數。同時在愛因斯坦的狹義相對論里，把“光速不變”作為一個基本前提，意味著真空中的光速恒定不變。

如何理解光速不變？

簡單講就是，光速與其他任何速度疊加之后，仍舊是保持光速不變。舉個例子，即便你是無限接近光速的速度追趕一束光，這束光相對你的速度仍舊是光速。

這里有必要強調一點，光速不變和狹義相對論的關系是，光速不變是因，狹義相對論是“果”。網絡上很多人把這種因果關系搞反了，誤認為是狹義相對論推導出來的光速不變，其實這種認知是錯誤的。

說白了，光速不變沒有原因，起碼目前人類并不知道光速不變的原因，它本身就是假設，也可以認為是公理。假設或者公理就不需要原因。也就是說，科學家其實并不知道“光速不變”的底層邏輯，只是他們發現了“光速不變”這個事實確實存在而已。

一個看起來簡單的光速，卻是我們宇宙的“定海神針”！

在我們的宇宙里，萬物都在不停地運動，任何物體的運動速度都是可變的，只要選擇不同的參照系，物體的運動速度就會發生變化。但唯獨光速是特例，光速是絕對的，不管你選擇什么樣的參照系，光速都保持恒定不變。

所以，我們也可以這樣通俗理解光速，光速就像是宇宙的一把通用的“標準尺子”一樣，以不變應萬變。這把“標準尺子”可以用來衡量宇宙萬物的運動規律。

而正是因為光速的這種絕對不變，才會讓不同的觀察者感受到時間和空間的改變，也就是剛開始所講的時間膨脹效應，當然還有空間的尺縮效應，這兩種效應其實是等價的，同時出現的。

光速限制和光速不變，極大地改變了我們對宇宙的觀察。

舉個例子，你用天文望遠鏡觀測10光年外的星球，看到的肯定是該星球10年前的模樣。但如果你乘坐一艘飛船，這艘飛船的速度非常接近光速，同時假設這艘飛船可以瞬間加速到非常接近光速的速度，達到這個速度的瞬間飛船還在地球上。

對于飛船里的你來講，你看到的10光年外的星球就不再是10年前的模樣，可能是5年前，1年前，甚至1個小時之前的模樣！

為什么會出現這種情況？為什么明明那顆星球距離地球10光年，飛船里的你看到的卻不是10年前的星球呢？

說白了，就是因為光速不變引起的時間膨脹和空間尺縮效應。具體來講，對于地球上的人類來講，看到你乘坐的飛船需要大約十幾年的時間（具體時間取決于飛船的速度）才能到達10光年外的星球，但是對于飛船里的你來講就不需要那么長時間了，可能僅需要5年甚至更短的時間就能到達那顆星球。

也就是說，你的時間“膨脹”了！

而用空間的尺縮效應就更容易理解了。在你乘坐的飛船速度到達非常接近光速的瞬間，雖然飛船仍舊在地球上，對于飛船里的你來講，原本10光年外的星球，空間距離會瞬間變短，從10光年可能縮短為1光年，甚至有可能近在咫尺，你感覺走一步就能到達那顆星球，當然前提是飛船的速度必須無限接近光速。

時間膨脹和尺縮效應其實是等價的，兩者必須同時出現，因為在愛因斯坦的狹義相對論體系下，時間和空間是有機體的整體，兩者不可分割，任何把時間和空間分開討論的行為其實都是沒有意義的。

速度會引發時間膨脹，引力同樣可以，而且速度和引力引發的時間膨脹是等效的。

引力越強，時間也就越慢。可以這樣理解引力引發的時間膨脹。根據愛因斯坦的廣義相對論，質量越大引力就越強，對時空的扭曲程度越大，越是扭曲的時空，時間就會變得越慢。

比如說黑洞，可以把時空扭曲到無限，連光也無法逃脫極度扭曲的時空，時間自然就趨于停止了。

這里還有必要糾正一下網絡上的很多“民科”思維，所謂的“時間膨脹”，并不是說高速運動下的物體自身的時間變慢了，而是相對其他參照系時間變慢了。

舉個例子，假設你以無限接近光速的速度飛行，你的時間就趨于停止了，但并不是說你自身感受到的時間停止了，更不是說你的新陳代謝停止了，而是在外部世界看來你的時間停止了，你會看到外部世界的時間無限變快，甚至你感覺到的一秒鐘，外部世界就過去了無限久，一眨眼的功夫宇宙就走向終結了。

而你自身并不會感受到時間有任何變化，你自身的感受與在地球上的感受并沒有什么不同。用物理學術語來講，你的“本征時間”是不變的。何為本征時間？通俗理解就是裝在你口袋里的鐘表顯示的時間。

總結

速度和引力引發的時間膨脹效應并不只是理論，早就被證實了，同時也早已廣泛應用在我們日常生活中。

最典型的例子就是衛星定位系統。由于衛星位于大約2萬公里的高空，受到的地球引力會相對較小，因此衛星的時間就比地面時間要快一些。但同時由于衛星的速度很快，時間相對地面時間要慢一些。

綜合來看，引力對衛星的時間影響會更大，也就是說衛星上的時間會比地面時間更快，每天大約快38微秒（一微秒等于百萬分之一秒）。在我們日常生活中，如此短暫的時間根本不會造成任何影響，我們也感知不到，但由于衛星導航系統對精確度的要求非常高，就必須校正衛星上的時間，讓其與地面時間保持一致，否則導航系統會徹底失效！