深度长文：为什么速度越快时间就越慢？光速和时间到底什么关系？

关于速度与时间的关系，是狭义相对论的核心思想之一。具体来讲就是速度越快，时间就越慢，这也是所谓的“时间膨胀效应”或者“钟慢效应”。

现实中，有不少人质疑狭义相对论，其实大可不必。之前的科普中，我多次提到过，狭义相对论就是建立在两大公设的基础上提出了的，这两大公设分别是：光速不变原理和狭义相对性原理，尤其是前者，几乎可以推导出所有狭义相对论公式。

也就是说，只要这两个公设没错，狭义相对论就不会有错。如果你想质疑狭义相对论，直接直接这两大公设就可以了。因为如果这两大公设错了，狭义相对论自然就推翻了。

但问题是，这个两大公设其实就是假设，也可以理解为公理。假设的东西就无所谓对错，只需要你接受或者不接受。无论你接受或者不接受，也没有对错，你甚至可以提出自己的假设，然后建立自己的理论，这都是可以的。

但前提是你的假设必须经得起考验和实验验证，不然别人怎么接受你的假设呢？

而爱因斯坦提出的两大假设，当然不是拍脑门凭空想出来了，是经过漫长时间的深入思考，丰富的物理学知识，再加上那些一丢丢不可获取的灵感或者说是“天才”，最终提出来的。

而之后无数次实验表明，光速不变原理确实经得起验证，直到今天也没有发现与光速不变原理违背的现象。

在这种情况下，我们有什么理由不相信相对论呢？

经过一百多年的发展，虽然相对论早就成为现代物理学大厦的基石之一，但仍旧有不少人难以接受。

其实这种现象也很正常，很多时候不是我们刻意质疑相对论，只是相对论完全颠覆了我们的日常生活认知和生活经验，让我们感到如此神秘如此神奇。据说当爱因斯坦刚提出来相对论时，全世界只有三个人能理解，当然肯定没这么夸张，但确实能看出在普通人眼里相对论确实很神秘，这也与人们对周围事物的理解方式有关。

事实上，当我们宣称自己“理解了某一个概念”时，所谓的“理解”到底指的什么呢？基本上是指“理解了与自己生活经验相符的概念”而已，当一个概念与自己的生活经验相符时，就很容易理解。如果一个概念与自己的生活经验相悖，就很难理解，即便是别人在怎么向你解释，解释得确实很清楚，你宣称自己理解了，但其实大部分情况只是你“强迫”自己理解了，下意识里你仍旧不怎么理解，起码内心深处不愿意接受这个概念。

就比如牛顿运动定律，就非常符合我们的日常生活经验，自然很容易被我们欣赏接受。举个例子，力的作用是相互的，作用力与反作用力总是方向相反，大小相等的。现实生活中这样的例子比比皆是。

比如你用力推一把墙，你会感到自己也被墙“推”了一把，然后后退几步。当然墙并不会后退，因为以你的力气很难把墙推倒。

还有，如今我们知道，质量不同的物体从同一个高度下落，两个物体会一起落地，当然前提是忽略空气阻力的影响。这个理念在如今我们看来理所当然，但是或许你不知道，上千年来，古代人们一直认为“质量不同的物体，更重的那个会先落地”，你很难想象古人们为什么会有这种显而易见的错误理念。

这就是古人的日常生活经验导致的，因为长期以来，古人的生活经验告诉他们，石头和羽毛从同一高度丢下，当然是更重的石头先落地，而空气阻力的影响往往很难被察觉。

直到伽利略时代，通过两个质量不同的铁球往下扔的实验，才纠正了古人上千年的认知和经验偏见。

确实，长期以来，人们总结出来的科学理论，大多数都来自人们的日常生活经验。但由于我们生活在一个非常狭小的空间里，日常生活经验和认知一定会存在无法突破的局现象，所以有时候人们的日常生活经验就不是很靠谱了。

就比如狭义相对论的基本公设之一，光速不变，它告诉我们光速是绝对的，光的速度与光源的运动状态以及观察者所在的参照系无关，光速是绝对不变的常数。

具体什么意思呢？相信很多人早就知道了。举个例子，即便你以0.8倍光速追赶一束光，这束光相对你的速度并不是0.2倍光速，而仍旧是光速本身！

按照我们的日常生活经验分析，也就是简单的相对速度计算公式，那束光相对你的速度应该是0.2倍光速，这个结果很合情合理。

但事实上呢？无数科学家经过无数遍的验证，结果都表明，无论你如何运动，无论你的速度都快，哪怕无限接近光速，那束光相对你始终保持光速运动。

对于这样的结果，你肯定会很不服气。就好比我就是那束光，你和我赛跑，无论你跑多快，我总是比你快一个光速。而且，即便你不断变换速度，一会快一会慢，我相对你的速度始终保持光速不变，我以不变应对你的万变！

这样的结果你会心平气和的接受吗？肯定不会！

不仅你不服气，当年的物理学界大佬们也不服气，不能接受，当时的他们也是同样困惑。不过困惑归困惑，实验事实摆在那里，困惑也得接受。

实际上，如今我们知道，之所以我们对光速不变这个事实感到困惑，主要是因为在现实中我们完全无法获得任何相对论效应的相关体验，这也是没有办法的事情，因为只有速度接近光速时，相对论效应才会比较明显，平时我们接触到的速度与光速相比太小了。

理解了光速不变，就会更容易理解光速与时间的关系，更好理解为什么速度越快时间就越慢，答案其实刚才已经说了，就是四个字：光速不变。

下面用数学语言具体分析一下，并不涉及复杂的数学公式，只要初中数学水平就可以了。在具体分析之前，需要做一个思想实验，实验也很简单。

想象一下，有一个理想中的光子钟，精密度非常高，结构很简单，由两面镜子和一个光子组成，两面镜子平行放置，距离为15厘米。光子在两面镜子之间来回垂直反弹运动。

光子钟放置在高速飞行的宇宙飞船上，你乘坐飞船一直在太空飞行。你看到的光子的运动轨迹道然是垂直上下的，因为你和光子钟在同一个参照系，这很容易理解。

不过对于静止在地面上的我来讲，光子的运动轨迹就不再是上下垂直的了。如果光子从A点飞行到B点运动一个回合，我看到的光子运动轨迹是一条斜线。

为什么会是斜线？因为光速不变，光子的速度并不会因为飞船的速度而向前加速，也就是说，光子的速度不会与飞船速度叠加。所以如果光子的运动轨迹不是斜线的话，光子就会飞飞行到光子钟的外面。

由于斜线比上下垂直的直线更长，所以对于地面上的我来讲，光子飞行一个回合的路线更长了，但是光速本身是不变的，也就意味着光子飞行一个回合的时间变长了。

这就是时间膨胀，对于我来讲，飞船上的时间变慢了。

具体变慢多少呢？利用简单的勾股定律公式就可以计算出来，结果就是时间膨胀公式。具体计算过程这里就不详述了，伙伴们根据图中的斜边的平方等于直角边的平方和，就可以计算出来。

通过时间膨胀公式很容易看出，当物体的速度非常小时，根号中的数值就无限接近1，时间膨胀效应就变得微乎其微，其实这恰恰就是我们的日常感受，因为我们平时经历的速度与光速相比真的太小了。

而另一个极端就是当物体的速度无限接近光速时，通过公式可以看出，时间会趋于停止。

有人可能会问了，如果速度超过光速，是不是意味着时间倒流呢？

事实并非如此，其实相对论的一个重要前提就是：速度不能达到或者超过光速。简单来讲，在相对论中，超光速是不被允许的。如果非要假设超光速，时间膨胀公式就会出现虚数，这种结果是没有现实意义的。

除了时间膨胀效应之外，还会出现尺缩效应，两者是同时出现的，是等价的，一个是时间，另一个是空间，在爱因斯坦的相对时空观下，时间和空间是有机的整体，两者不可分割。

说到时间膨胀效应和尺缩效应，就不得不提及著名的思想实验：双生子佯谬。

其实这个思想实验早已经被“说吐”了，之前关于相对论的科普中，也曾多次提到，今天再次用通俗的方式解读一下，很多科普文中会涉及相当复杂的数学计算，其实这种方式科普的效果并不是太好，毕竟对于很多吃瓜群众来讲，本能地排斥枯燥的数学公式计算。

所以，今天对双生子佯谬的科普中，不会涉及任何数学计算，以通俗的语言与大家分享。

这个思想实验过程很简单，一对双胞胎兄弟，弟弟在地球上，哥哥乘坐宇宙飞船以亚光速离开地球，飞行一段时间后重返地球，与弟弟重逢时，两人谁更年轻呢？

按照时间膨胀效应，速度越快时间就越慢，哥哥以亚光速飞行，时间当然会变慢，所以当哥哥与弟弟重逢时，哥哥会更年轻。

不过很多人会因为接下来这个问题困惑不已：确实，在弟弟眼里，哥哥以亚光速飞行，速度很快，哥哥的时间变慢了。但由于速度是相对的，在哥哥眼里，弟弟同样在以亚光速飞行，弟弟的时间也变慢了。

那么，到底谁的时间变慢了呢？总不能哥哥和弟弟的时间都变慢了吧？这不前后矛盾了吗？

实际上一点也不矛盾。但上面说的没错，在弟弟的眼里，哥哥的时间变慢了。而在哥哥眼里，弟弟的时间也确实变慢了。但这样的结果有一个重要前提：哥哥永远不返回地球。

如果哥哥不返回地球，哥哥和弟弟之间的时间对比其实就没有任何意义了，因为我们每个人只需要为自己的本征时间负责，所谓本征时间就是“装在自己口袋里的钟表显示的时间”，别人的时间快慢与自己其实是没有任何关系的。比如说，5000光年外的外星人时间，无论快慢，与人类没有一毛钱关系，除非他们来到地球，或者人类前往外星人那里。

也就是说，只有哥哥重返地球，哥哥和弟弟重新来到同一参照系，两人的时间对比才有意义。而在哥哥返回地球的过程中，我们都会知道到底是谁相对谁在运动了。

说到运动，比如指出：我们永远无法区分静止状态和匀速直线运动状态，这其实在牛顿运动定律时就有提到，这里就不做过多解释了。

有人可能不服：怎么无法区分呢？比如说在一辆匀速直线行驶的火车上，看看火车外面的风景，或者听听火车行驶发出的声音不就知道了吗？

这个地球人都能想到。但是物理学家们想要的是，不管你有没有看火车外的风景，有没有听火车发出的声音，都能区分静止状态还是匀速直线运动状态。

但事实情况下，物理学家想要的，我们无论如何都做不到。

因此，当哥哥永远以匀速直线运动，在飞船上一直飞行永远不返回地球时，我们确实无法确定哥哥和弟弟谁在相对谁运动，自然也不知道哥哥和弟弟谁更年轻。在这种情况下，对比哥哥和弟弟谁更年轻当然也就失去了意义。

但是我们知道的是，哥哥要想返回地球，一定会经历减速和加速过程，而这时候就不再是匀速直线运动了，而这个转变一定会传递这样的信息：原来是哥哥在亚光速运动，而不是弟弟！

到这里，双生子佯谬就可以轻松化解，是不是很简单？

总结

还是那句话，狭义相对论中的公式，比如说时间膨胀公式，尺缩效应公式等等，其实都是建立在“光速不变”这个基本原理基础上推导出来的。时间之所以与速度有关，也是因为光速不变。

所以，下次再质疑狭义相对论时，直接质疑“光速不变”就行了。

但这就有一个相当尴尬的问题：质疑光速不变其实是没有意义的，因为“光速不变”就是一个假设，也是公理。对于公理，你只能选择相信或者不相信，当然你也可以提出自己的公理，只要合情合理，能说服别人相信就行。

就好比“两点之间线段最短”，你质疑这个公理就没有意义，除非你能提出另外一个公理代替这个公理，比如说找到“两点之间并不是线段最短”的例子，有人可能会较真：在闵氏空间里，两点之间确实不是线段最短。但明白的人都知道，两者说的并不是同一回事。

完！