深度長文：為什么速度越快時間就越慢？光速和時間到底什么關(guān)系？

關(guān)于速度與時間的關(guān)系，是狹義相對論的核心思想之一。具體來講就是速度越快，時間就越慢，這也是所謂的“時間膨脹效應(yīng)”或者“鐘慢效應(yīng)”。

現(xiàn)實中，有不少人質(zhì)疑狹義相對論，其實大可不必。之前的科普中，我多次提到過，狹義相對論就是建立在兩大公設(shè)的基礎(chǔ)上提出了的，這兩大公設(shè)分別是：光速不變原理和狹義相對性原理，尤其是前者，幾乎可以推導(dǎo)出所有狹義相對論公式。

也就是說，只要這兩個公設(shè)沒錯，狹義相對論就不會有錯。如果你想質(zhì)疑狹義相對論，直接直接這兩大公設(shè)就可以了。因為如果這兩大公設(shè)錯了，狹義相對論自然就推翻了。

但問題是，這個兩大公設(shè)其實就是假設(shè)，也可以理解為公理。假設(shè)的東西就無所謂對錯，只需要你接受或者不接受。無論你接受或者不接受，也沒有對錯，你甚至可以提出自己的假設(shè)，然后建立自己的理論，這都是可以的。

但前提是你的假設(shè)必須經(jīng)得起考驗和實驗驗證，不然別人怎么接受你的假設(shè)呢？

而愛因斯坦提出的兩大假設(shè)，當(dāng)然不是拍腦門憑空想出來了，是經(jīng)過漫長時間的深入思考，豐富的物理學(xué)知識，再加上那些一丟丟不可獲取的靈感或者說是“天才”，最終提出來的。

而之后無數(shù)次實驗表明，光速不變原理確實經(jīng)得起驗證，直到今天也沒有發(fā)現(xiàn)與光速不變原理違背的現(xiàn)象。

在這種情況下，我們有什么理由不相信相對論呢？

經(jīng)過一百多年的發(fā)展，雖然相對論早就成為現(xiàn)代物理學(xué)大廈的基石之一，但仍舊有不少人難以接受。

其實這種現(xiàn)象也很正常，很多時候不是我們刻意質(zhì)疑相對論，只是相對論完全顛覆了我們的日常生活認知和生活經(jīng)驗，讓我們感到如此神秘如此神奇。據(jù)說當(dāng)愛因斯坦剛提出來相對論時，全世界只有三個人能理解，當(dāng)然肯定沒這么夸張，但確實能看出在普通人眼里相對論確實很神秘，這也與人們對周圍事物的理解方式有關(guān)。

事實上，當(dāng)我們宣稱自己“理解了某一個概念”時，所謂的“理解”到底指的什么呢？基本上是指“理解了與自己生活經(jīng)驗相符的概念”而已，當(dāng)一個概念與自己的生活經(jīng)驗相符時，就很容易理解。如果一個概念與自己的生活經(jīng)驗相悖，就很難理解，即便是別人在怎么向你解釋，解釋得確實很清楚，你宣稱自己理解了，但其實大部分情況只是你“強迫”自己理解了，下意識里你仍舊不怎么理解，起碼內(nèi)心深處不愿意接受這個概念。

就比如牛頓運動定律，就非常符合我們的日常生活經(jīng)驗，自然很容易被我們欣賞接受。舉個例子，力的作用是相互的，作用力與反作用力總是方向相反，大小相等的。現(xiàn)實生活中這樣的例子比比皆是。

比如你用力推一把墻，你會感到自己也被墻“推”了一把，然后后退幾步。當(dāng)然墻并不會后退，因為以你的力氣很難把墻推倒。

還有，如今我們知道，質(zhì)量不同的物體從同一個高度下落，兩個物體會一起落地，當(dāng)然前提是忽略空氣阻力的影響。這個理念在如今我們看來理所當(dāng)然，但是或許你不知道，上千年來，古代人們一直認為“質(zhì)量不同的物體，更重的那個會先落地”，你很難想象古人們?yōu)槭裁磿羞@種顯而易見的錯誤理念。

這就是古人的日常生活經(jīng)驗導(dǎo)致的，因為長期以來，古人的生活經(jīng)驗告訴他們，石頭和羽毛從同一高度丟下，當(dāng)然是更重的石頭先落地，而空氣阻力的影響往往很難被察覺。

直到伽利略時代，通過兩個質(zhì)量不同的鐵球往下扔的實驗，才糾正了古人上千年的認知和經(jīng)驗偏見。

確實，長期以來，人們總結(jié)出來的科學(xué)理論，大多數(shù)都來自人們的日常生活經(jīng)驗。但由于我們生活在一個非常狹小的空間里，日常生活經(jīng)驗和認知一定會存在無法突破的局現(xiàn)象，所以有時候人們的日常生活經(jīng)驗就不是很靠譜了。

就比如狹義相對論的基本公設(shè)之一，光速不變，它告訴我們光速是絕對的，光的速度與光源的運動狀態(tài)以及觀察者所在的參照系無關(guān)，光速是絕對不變的常數(shù)。

具體什么意思呢？相信很多人早就知道了。舉個例子，即便你以0.8倍光速追趕一束光，這束光相對你的速度并不是0.2倍光速，而仍舊是光速本身！

按照我們的日常生活經(jīng)驗分析，也就是簡單的相對速度計算公式，那束光相對你的速度應(yīng)該是0.2倍光速，這個結(jié)果很合情合理。

但事實上呢？無數(shù)科學(xué)家經(jīng)過無數(shù)遍的驗證，結(jié)果都表明，無論你如何運動，無論你的速度都快，哪怕無限接近光速，那束光相對你始終保持光速運動。

對于這樣的結(jié)果，你肯定會很不服氣。就好比我就是那束光，你和我賽跑，無論你跑多快，我總是比你快一個光速。而且，即便你不斷變換速度，一會快一會慢，我相對你的速度始終保持光速不變，我以不變應(yīng)對你的萬變！

這樣的結(jié)果你會心平氣和的接受嗎？肯定不會！

不僅你不服氣，當(dāng)年的物理學(xué)界大佬們也不服氣，不能接受，當(dāng)時的他們也是同樣困惑。不過困惑歸困惑，實驗事實擺在那里，困惑也得接受。

實際上，如今我們知道，之所以我們對光速不變這個事實感到困惑，主要是因為在現(xiàn)實中我們完全無法獲得任何相對論效應(yīng)的相關(guān)體驗，這也是沒有辦法的事情，因為只有速度接近光速時，相對論效應(yīng)才會比較明顯，平時我們接觸到的速度與光速相比太小了。

理解了光速不變，就會更容易理解光速與時間的關(guān)系，更好理解為什么速度越快時間就越慢，答案其實剛才已經(jīng)說了，就是四個字：光速不變。

下面用數(shù)學(xué)語言具體分析一下，并不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，只要初中數(shù)學(xué)水平就可以了。在具體分析之前，需要做一個思想實驗，實驗也很簡單。

想象一下，有一個理想中的光子鐘，精密度非常高，結(jié)構(gòu)很簡單，由兩面鏡子和一個光子組成，兩面鏡子平行放置，距離為15厘米。光子在兩面鏡子之間來回垂直反彈運動。

光子鐘放置在高速飛行的宇宙飛船上，你乘坐飛船一直在太空飛行。你看到的光子的運動軌跡道然是垂直上下的，因為你和光子鐘在同一個參照系，這很容易理解。

不過對于靜止在地面上的我來講，光子的運動軌跡就不再是上下垂直的了。如果光子從A點飛行到B點運動一個回合，我看到的光子運動軌跡是一條斜線。

為什么會是斜線？因為光速不變，光子的速度并不會因為飛船的速度而向前加速，也就是說，光子的速度不會與飛船速度疊加。所以如果光子的運動軌跡不是斜線的話，光子就會飛飛行到光子鐘的外面。

由于斜線不上下垂直的直線更長，所以對于地面上的我來講，光子飛行一個回合的路線更長了，但是光速本身是不變的，也就意味著光子飛行一個回合的時間變長了。

這就是時間膨脹，對于我來講，飛船上的時間變慢了。

具體變慢多少呢？利用簡單的勾股定律公式就可以計算出來，結(jié)果就是時間膨脹公式。具體計算過程這里就不詳述了，伙伴們根據(jù)圖中的斜邊的平方等于直角邊的平方和，就可以計算出來。

通過時間膨脹公式很容易看出，當(dāng)物體的速度非常小時，根號中的數(shù)值就無限接近1，時間膨脹效應(yīng)就變得微乎其微，其實這恰恰就是我們的日常感受，因為我們平時經(jīng)歷的速度與光速相比真的太小了。

而另一個極端就是當(dāng)物體的速度無限接近光速時，通過公式可以看出，時間會趨于停止。

有人可能會問了，如果速度超過光速，是不是意味著時間倒流呢？

事實并非如此，其實相對論的一個重要前提就是：速度不能達到或者超過光速。簡單來講，在相對論中，超光速是不被允許的。如果非要假設(shè)超光速，時間膨脹公式就會出現(xiàn)虛數(shù)，這種結(jié)果是沒有現(xiàn)實意義的。

除了時間膨脹效應(yīng)之外，還會出現(xiàn)尺縮效應(yīng)，兩者是同時出現(xiàn)的，是等價的，一個是時間，另一個是空間，在愛因斯坦的相對時空觀下，時間和空間是有機的整體，兩者不可分割。

說到時間膨脹效應(yīng)和尺縮效應(yīng)，就不得不提及著名的思想實驗：雙生子佯謬。

其實這個思想實驗早已經(jīng)被“說吐”了，之前關(guān)于相對論的科普中，也曾多次提到，今天再次用通俗的方式解讀一下，很多科普文中會涉及相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，其實這種方式科普的效果并不是太好，畢竟對于很多吃瓜群眾來講，本能地排斥枯燥的數(shù)學(xué)公式計算。

所以，今天對雙生子佯謬的科普中，不會涉及任何數(shù)學(xué)計算，以通俗的語言與大家分享。

這個思想實驗過程很簡單，一對雙胞胎兄弟，弟弟在地球上，哥哥乘坐宇宙飛船以亞光速離開地球，飛行一段時間后重返地球，與弟弟重逢時，兩人誰更年輕呢？

按照時間膨脹效應(yīng)，速度越快時間就越慢，哥哥以亞光速飛行，時間當(dāng)然會變慢，所以當(dāng)哥哥與弟弟重逢時，哥哥會更年輕。

不過很多人會因為接下來這個問題困惑不已：確實，在弟弟眼里，哥哥以亞光速飛行，速度很快，哥哥的時間變慢了。但由于速度是相對的，在哥哥眼里，弟弟同樣在以亞光速飛行，弟弟的時間也變慢了。

那么，到底誰的時間變慢了呢？總不能哥哥和弟弟的時間都變慢了吧？這不前后矛盾了嗎？

實際上一點也不矛盾。但上面說的沒錯，在弟弟的眼里，哥哥的時間變慢了。而在哥哥眼里，弟弟的時間也確實變慢了。但這樣的結(jié)果有一個重要前提：哥哥永遠不返回地球。

如果哥哥不返回地球，哥哥和弟弟之間的時間對比其實就沒有任何意義了，因為我們每個人只需要為自己的本征時間負責(zé)，所謂本征時間就是“裝在自己口袋里的鐘表顯示的時間”，別人的時間快慢與自己其實是沒有任何關(guān)系的。比如說，5000光年外的外星人時間，無論快慢，與人類沒有一毛錢關(guān)系，除非他們來到地球，或者人類前往外星人那里。

也就是說，只有哥哥重返地球，哥哥和弟弟重新來到同一參照系，兩人的時間對比才有意義。而在哥哥返回地球的過程中，我們都會知道到底是誰相對誰在運動了。

說到運動，比如指出：我們永遠無法區(qū)分靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運動狀態(tài)，這其實在牛頓運動定律時就有提到，這里就不做過多解釋了。

有人可能不服：怎么無法區(qū)分呢？比如說在一輛勻速直線行駛的火車上，看看火車外面的風(fēng)景，或者聽聽火車行駛發(fā)出的聲音不就知道了嗎？

這個地球人都能想到。但是物理學(xué)家們想要的是，不管你有沒有看火車外的風(fēng)景，有沒有聽火車發(fā)出的聲音，都能區(qū)分靜止?fàn)顟B(tài)還是勻速直線運動狀態(tài)。

但事實情況下，物理學(xué)家想要的，我們無論如何都做不到。

因此，當(dāng)哥哥永遠以勻速直線運動，在飛船上一直飛行永遠不返回地球時，我們確實無法確定哥哥和弟弟誰在相對誰運動，自然也不知道哥哥和弟弟誰更年輕。在這種情況下，對比哥哥和弟弟誰更年輕當(dāng)然也就失去了意義。

但是我們知道的是，哥哥要想返回地球，一定會經(jīng)歷減速和加速過程，而這時候就不再是勻速直線運動了，而這個轉(zhuǎn)變一定會傳遞這樣的信息：原來是哥哥在亞光速運動，而不是弟弟！

到這里，雙生子佯謬就可以輕松化解，是不是很簡單？

總結(jié)

還是那句話，狹義相對論中的公式，比如說時間膨脹公式，尺縮效應(yīng)公式等等，其實都是建立在“光速不變”這個基本原理基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。時間之所以與速度有關(guān)，也是因為光速不變。

所以，下次再質(zhì)疑狹義相對論時，直接質(zhì)疑“光速不變”就行了。

但這就有一個相當(dāng)尷尬的問題：質(zhì)疑光速不變其實是沒有意義的，因為“光速不變”就是一個假設(shè)，也是公理。對于公理，你只能選擇相信或者不相信，當(dāng)然你也可以提出自己的公理，只要合情合理，能說服別人相信就行。

就好比“兩點之間線段最短”，你質(zhì)疑這個公理就沒有意義，除非你能提出另外一個公理代替這個公理，比如說找到“兩點之間并不是線段最短”的例子，有人可能會較真：在閔氏空間里，兩點之間確實不是線段最短。但明白的人都知道，兩者說的并不是同一回事。

完！