狭义相对论：光速飞行时间静止，“时间膨胀”膨胀的到底是什么？

爱因斯坦著名的狭义相对论告诉我们：速度越快时间就越慢，达到光速时间就静止。这就是所谓的“时间膨胀效应”（钟慢效应）。

虽然狭义相对论已经诞生了一百多年了，但很多人对时间膨胀不是很理解：时间膨胀，膨胀的到底是什么呢？为什么会出现时间膨胀效应呢？

爱因斯坦创建相对论的一个基础就是相对时空观，他推翻了牛顿的绝对时空观（静止时空观），认为时间和空间并不是绝对的，而是相对的，严格来讲每个人体验到的时间流逝和空间距离都不一样，这是很多人难以接受的地方。

就好比在现实生活中，按照牛顿经典力学诠释，我们每个人感受到的一秒都应该是一样长的，这也很符合我们的生活经验和感受。但按照狭义相对论诠释就不是那么回事了，你的一秒和我的一秒并不一样长，只不过差异太小了，我们根本感受不到这种差异。

其实时间膨胀也有两种情况，速度和引力都可以引起时间膨胀，对应的分别是狭义相对论和广义相对论，用公式表达就是：

速度引起的时间膨胀（狭义相对论）：t'=t/√[1-（v/c)²，速度越快时间膨胀效应就越明显。

引力（质量）引起的时间膨胀（广义相对论）：t'=t*√(1-2GM/rc²，引力（质量）越大，时间膨胀效应就越明显。

除了速度和引力，从上面两个公式能够看出，时间膨胀效应与光速C也是息息相关的，光速C是一个常数，真空速度是30万公里每秒。

这里，上面强调的“常数”很重要。在我们的固有观念里，速度都必须有一个参照系才有意义，一般情况下我们都会默认地面为参照系，比如说汽车时速是100公里，参照系就默认为地面。

但光速不是这样的，光速是恒定的，它不需要参照系，或者说在任何参照系下光速都是恒星不变的，这就是光速不变原理。

举个例子，你乘坐一艘飞船在太空飞行，速度为0.5C，你打开手电筒。在地球上的我眼里，手电筒发出的光的速度是多少呢？

按照我们传统思维里的速度叠加计算，手电筒发出的光的速度应该是飞船速度加上光的速度，也就是1.5C。但实际上并不是1.5C，而仍旧是C，也就是光速。

平时我们用到的速度叠加公式其实就是伽利略变换，只适用于低速世界。一旦到了亚光速世界，就必须用更精确的洛伦兹变换了：V=(V1+V2)/(1+V1xV2/C^2)。从该公式中可以看出，当V1和V2很小的时候，公式就可以简化为V=V1+V2，这就是伽利略变换。

所以，伽利略变换只是洛伦兹变换在低速世界的近似值，是一个特例。

光速不变原理，告诉我们一个道理，宇宙中什么都是相对的，但唯独光速是绝对的，光速就好像宇宙的一个标尺，一个绝对标杆。

从逻辑上也能理解，如果什么都是相对的，没有一个绝对标尺，我们的世界就会陷入“混乱”，既然都是一切都是相对的，就不应该有“对错”，在描述世界运动规律的时候，我们就会陷入迷茫中。但光速的绝对性一下让我们豁然开朗：原来我们可以用光速衡量一切。

正如刚才所说，在任何参照系任何运动状态下观察到的光速都是一样的。到这里你也许隐隐约约感受到了什么。

没错，既然在不同的参照系不同的运动状态下观察到的光速都是一样的，这说明肯定有某些东西是不一样的，这样才能保证光速的绝对性。

“某些不一样的东西”就是时间和空间，也只能是时间和空间。

也就是说，在不同的参照系下，时间和空间会发生改变，这就是所谓的“时间膨胀效应”和“尺缩效应”。

举个时间膨胀的例子。

如果按照牛顿绝对时空观诠释，观测一光年外的星球，看到的肯定是一年之前的场景。但如果乘坐50%光速飞行的飞船，就能看到星球上更早的场景。

这里需要强调一下，“坐上飞船的一瞬间”就能看到星球更早的场景。打个比方，你我和飞船都在地球上，我登上飞船，假设飞船的速度能瞬间达到50%光速，在飞船起飞的瞬间（还没有离开地球），我就能看到1光年外星球更早的场景，而你就看不到。我们都在地球上，但看到的场景是不一样的！

在你看来，我乘坐的飞船飞行两年才能到达该星球，但对于我来讲，只需要一年多就可以到达（大约1.73年）。

也就是说，我的时间“膨胀”了。

广义相对论中，引力引起的时间膨胀效应同样如此。

速度和引力引起的时间膨胀并不是想象出来的，早就真实存在于我们日常生活中了。

最直观的例子就是我们每天使用的导航定位系统。由于天上的卫星速度很快（时间会变慢），受到的引力更小（时间会变快），综合算下来卫星上的时间就比地面时间要快一些。所以必须对卫星时间进行校正，才能保证与地面时间一致，否则导航定位系统会彻底失效！