相对论“时间膨胀”表明速度越快时间越慢，膨胀的到底是什么？

爱因斯坦的狭义相对论自1905年诞生以来，经历了一百多年的风风雨雨，如今仍旧屹立不倒，被越来越多的实验证据支撑，也因此成为了现代物理学大厦的两大基石之一（另一大基石是量子力学）。

狭义相对论是在两个假设的基础上提出来的，这两大假设分别是：光速不变原理和狭义相对性原理。有了这两大假设，就可以推导出狭义相对论中的所有基本公式，其中就有时间膨胀效应公式。

时间膨胀，顾名思义就是“时间变慢了”，具体来讲就是“速度越快，时间就越慢”。爱因斯坦告诉我们时间并不是绝对的，而是相对的，不断变化的，也因此推翻了牛顿力学体系下的绝对时空观。

狭义相对论告诉我们，在不同的惯性系下，时间流逝的速度是不一样的。最通俗的例子就是，我们地球上每个人的时间流逝速度其实都是不一样的，只不过差异微乎其微，我们根本察觉不到，也不会对我们日常生活带来任何影响，所以在我们的固有思维里，还会认为时间是绝对的。

时间膨胀可以分为两种，速度可以引发时间膨胀，而引力同样可以引发时间膨胀。

狭义相对论里，速度越快时间就越慢，速度引发的时间膨胀，可以用时间膨胀公式来计算。

而在广义相对论下，引力越大时间就越慢，引力引发的时间膨胀，同样也有一个时间膨胀公式来计算。

速度和引力引发的时间膨胀公式，看上去差别很大，但两者有一个最大的共同点：都包含光速c。显然这说明了光速在时间膨胀中一定起到了非常关键的作用，因此，我们很有必要详细了解一下光的特性。

光，在我们日常生活中无处不在。毫不夸张地讲，人类科学发展史都是围绕光来展开的，这是因为人类观测到的一切，几乎都要依赖光，准确来讲是依赖电磁波。

光的本质是电磁波，我们平时所说的光，指的是可见光，而可见光只是整个电磁波谱中非常狭窄的一部分。而电磁波是一种能量，依靠光子来传递能量。

除了可见光之外，还有波长更长的无线电波，红外线，波长更短的紫外线，X射线，伽马射线等。

虽然光在我们身边无处不在，但直到近代，科学家们才真正开始研究光的具体特点，测量出了光的传播速度，大约为每秒30万公里。

光速，是一个常数，非常重要的常数，任何信息和物体的速度都无法超越这个常数。同时在爱因斯坦的狭义相对论里，把“光速不变”作为一个基本前提，意味着真空中的光速恒定不变。

如何理解光速不变？

简单讲就是，光速与其他任何速度叠加之后，仍旧是保持光速不变。举个例子，即便你是无限接近光速的速度追赶一束光，这束光相对你的速度仍旧是光速。

这里有必要强调一点，光速不变和狭义相对论的关系是，光速不变是因，狭义相对论是“果”。网络上很多人把这种因果关系搞反了，误认为是狭义相对论推导出来的光速不变，其实这种认知是错误的。

说白了，光速不变没有原因，起码目前人类并不知道光速不变的原因，它本身就是假设，也可以认为是公理。假设或者公理就不需要原因。也就是说，科学家其实并不知道“光速不变”的底层逻辑，只是他们发现了“光速不变”这个事实确实存在而已。

一个看起来简单的光速，却是我们宇宙的“定海神针”！

在我们的宇宙里，万物都在不停地运动，任何物体的运动速度都是可变的，只要选择不同的参照系，物体的运动速度就会发生变化。但唯独光速是特例，光速是绝对的，不管你选择什么样的参照系，光速都保持恒定不变。

所以，我们也可以这样通俗理解光速，光速就像是宇宙的一把通用的“标准尺子”一样，以不变应万变。这把“标准尺子”可以用来衡量宇宙万物的运动规律。

光速限制和光速不变，极大地改变了我们对宇宙的观察。

举个例子，你用天文望远镜观测10光年外的星球，看到的肯定是该星球10年前的模样。但如果你乘坐一艘飞船，这艘飞船的速度非常接近光速，同时假设这艘飞船可以瞬间加速到非常接近光速的速度，达到这个速度的瞬间飞船还在地球上。

对于飞船里的你来讲，你看到的10光年外的星球就不再是10年前的模样，可能是5年前，1年前，甚至1个小时之前的模样！

为什么会出现这种情况？为什么明明那颗星球距离地球10光年，飞船里的你看到的却不是10年前的星球呢？

说白了，就是因为光速不变引起的时间膨胀和空间尺缩效应。具体来讲，对于地球上的人类来讲，看到你乘坐的飞船需要大约十几年的时间（具体时间取决于飞船的速度）才能到达10光年外的星球，但是对于飞船里的你来讲就不需要那么长时间了，可能仅需要5年甚至更短的时间就能到达那颗星球。

也就是说，你的时间“膨胀”了！

而用空间的尺缩效应就更容易理解了。在你乘坐的飞船速度到达非常接近光速的瞬间，虽然飞船仍旧在地球上，对于飞船里的你来讲，原本10光年外的星球，空间距离会瞬间变短，从10光年可能缩短为1光年，甚至有可能近在咫尺，你感觉走一步就能到达那颗星球，当然前提是飞船的速度必须无限接近光速。

时间膨胀和尺缩效应其实是等价的，两者必须同时出现，因为在爱因斯坦的狭义相对论体系下，时间和空间是有机体的整体，两者不可分割，任何把时间和空间分开讨论的行为其实都是没有意义的。

速度会引发时间膨胀，引力同样可以，而且速度和引力引发的时间膨胀是等效的。

引力越强，时间也就越慢。可以这样理解引力引发的时间膨胀。根据爱因斯坦的广义相对论，质量越大引力就越强，对时空的扭曲程度越大，越是扭曲的时空，时间就会变得越慢。

这里还有必要纠正一下网络上的很多“民科”思维，所谓的“时间膨胀”，并不是说高速运动下的物体自身的时间变慢了，而是相对其他参照系时间变慢了。

举个例子，假设你以无限接近光速的速度飞行，你的时间就趋于停止了，但并不是说你自身感受到的时间停止了，更不是说你的新陈代谢停止了，而是在外部世界看来你的时间停止了，你会看到外部世界的时间无限变快，甚至你感觉到的一秒钟，外部世界就过去了无限久，一眨眼的功夫宇宙就走向终结了。

而你自身并不会感受到时间有任何变化，你自身的感受与在地球上的感受并没有什么不同。用物理学术语来讲，你的“本征时间”是不变的。何为本征时间？通俗理解就是装在你口袋里的钟表显示的时间。

总结

速度和引力引发的时间膨胀效应并不只是理论，早就被证实了，同时也早已广泛应用在我们日常生活中。

最典型的例子就是卫星定位系统。由于卫星位于大约2万公里的高空，受到的地球引力会相对较小，因此卫星的时间就比地面时间要快一些。但同时由于卫星的速度很快，时间相对地面时间要慢一些。

综合来看，引力对卫星的时间影响会更大，也就是说卫星上的时间会比地面时间更快，每天大约快38微秒（一微秒等于百万分之一秒）。在我们日常生活中，如此短暂的时间根本不会造成任何影响，我们也感知不到，但由于卫星导航系统对精确度的要求非常高，就必须校正卫星上的时间，让其与地面时间保持一致，否则导航系统会彻底失效！