雖然人類的科技水平是有限的，但我們可以基于想象力來(lái)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的思想實(shí)驗(yàn)。包括牛頓、愛(ài)因斯坦、薛定諤在內(nèi)的很多物理學(xué)家都有提出過(guò)著名的思想實(shí)驗(yàn)，例如，牛頓大炮、愛(ài)因斯坦的追光思想實(shí)驗(yàn)、薛定諤的貓。
愛(ài)因斯坦曾在16歲時(shí)想象，如果追上一束光，他會(huì)看到什么現(xiàn)象？這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)為他后來(lái)創(chuàng)立狹義相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)。本文所討論的話題源自于愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，如果一個(gè)人以光速飛到宇宙中，1天后回到地球上，他還能見(jiàn)到家人嗎？地球上的時(shí)間究竟過(guò)了多久呢？
如果從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，這個(gè)問(wèn)題的答案似乎很簡(jiǎn)單，在宇宙飛1天返回，地球上當(dāng)然是過(guò)去1天。但事實(shí)上，我們被所謂的常識(shí)蒙蔽了雙眼，相對(duì)論告訴我們事情沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。
根據(jù)相對(duì)論，時(shí)間在宇宙各處并不是以相同的速率在流逝，宇宙中并沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。如果比較兩個(gè)速度不同的參照系時(shí)間，就會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)間流逝有快有慢，時(shí)間在速度較快的參照系中放慢了。
舉例來(lái)說(shuō)，行駛的高鐵上的時(shí)間要比地面上過(guò)得慢。時(shí)間具體慢多少，取決于高鐵的運(yùn)動(dòng)速度v，狹義相對(duì)論給出了計(jì)算公式：
上式中，Δt為地面上的時(shí)間，ΔT為高鐵上的時(shí)間，c為真空中的光速。
由于光速每秒將近30萬(wàn)公里，這個(gè)速度遠(yuǎn)高于高鐵，使得時(shí)間膨脹效應(yīng)小到可以忽略不計(jì)。假設(shè)高鐵的運(yùn)動(dòng)速度為300公里/小時(shí)，當(dāng)一個(gè)人乘坐該高鐵運(yùn)動(dòng)一天之后，他所經(jīng)歷的時(shí)間比地面上的人慢了大約3.3納秒，也就是10億分之3.3秒。
然而，當(dāng)速度接近光速時(shí)，v/c將會(huì)接近于1，這會(huì)使得時(shí)間膨脹效應(yīng)變得非常明顯。另外需要注意的是，上式也意味著物體的運(yùn)動(dòng)速度不可能達(dá)到光速，不然分母就會(huì)失去意義。雖然物體的速度達(dá)不到光速，但我們可以討論一下速度接近光速會(huì)怎樣？
由于相對(duì)論否認(rèn)了絕對(duì)時(shí)間的概念，所以每當(dāng)談及時(shí)間的時(shí)候，需要明確時(shí)間對(duì)應(yīng)于哪個(gè)參照系。假設(shè)這個(gè)1天的時(shí)間是宇宙飛船參照系的時(shí)間，當(dāng)一個(gè)人乘坐速度為99%光速的宇宙飛船飛行1天再返回，那么，此時(shí)地球上的時(shí)間將會(huì)過(guò)去7天。對(duì)于地球上的人來(lái)說(shuō)，宇宙飛船是在一周前離開(kāi)，但飛船上的人卻會(huì)認(rèn)為出發(fā)時(shí)間是昨天。
如果飛船以99.94443%光速飛行1天，地球上將會(huì)過(guò)去1個(gè)月的時(shí)間。如果飛船以99.9996245%光速飛行1天，地球上將會(huì)過(guò)去1年的時(shí)間，飛船上的人過(guò)了1天，地球上的人卻已經(jīng)長(zhǎng)了一歲。隨著宇宙飛船的速度越來(lái)越接近光速，時(shí)間流逝速率的差異將會(huì)快速變大，飛船時(shí)間過(guò)1天，可以相當(dāng)于地球上過(guò)100年，或者一萬(wàn)年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。
因此，乘坐宇宙飛船的人回到地球上之后，能不能再見(jiàn)到他的家人，完全取決于飛船的飛行速度。如果飛船的速度夠快，地球早已是滄海桑田。事實(shí)上，通過(guò)這樣的方法，飛船能夠飛到地球的未來(lái)。
值得注意的是，無(wú)論宇宙飛船飛得多快，飛船上的人都不會(huì)感受到自己的時(shí)間變慢了，過(guò)一天就是一天。但如果地球上有人通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)飛船，他會(huì)發(fā)現(xiàn)飛船上的人行動(dòng)十分緩慢。時(shí)間的快慢只有經(jīng)過(guò)比較才會(huì)知道區(qū)別，自己無(wú)法直接感受到時(shí)間變得快了還是慢了。
這里還有一個(gè)問(wèn)題，都說(shuō)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，飛船相對(duì)于地球快速運(yùn)動(dòng)，也可以看成地球相對(duì)于飛船快速運(yùn)動(dòng)，那么，這是否意味著地球上的時(shí)間變慢了呢？
其實(shí)不然。飛船從離開(kāi)地球到返回地球，需要經(jīng)過(guò)加速和減速，這種能夠真實(shí)感受到加速度的運(yùn)動(dòng)才是絕對(duì)的，所以時(shí)間變慢的是飛船，而非地球。
在日常生活中，兩個(gè)速度進(jìn)行疊加合成后會(huì)發(fā)生變化。但相對(duì)論表明，光速是個(gè)例外。假如月球上發(fā)射出一束光，無(wú)論是飛船上的觀測(cè)者，還是地球上的觀測(cè)者，他們都會(huì)測(cè)出這束光的速度為相等的光速。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為，既然光速是不變的，就會(huì)導(dǎo)致其他原本被認(rèn)為是絕對(duì)的物理量發(fā)生變化，而這正是時(shí)間（另外還有空間）。無(wú)論是光速不變，還是時(shí)間膨脹，這些現(xiàn)象都已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
人造衛(wèi)星在太空中快速運(yùn)動(dòng)，那里的時(shí)間流逝速率與地面上是不一致的。如果我們想要通過(guò)人造衛(wèi)星進(jìn)行精確導(dǎo)航和定位，就需要消除相對(duì)論的時(shí)間膨脹效應(yīng)，讓天地時(shí)間保持完全同步，這正是我們每天所要經(jīng)歷的事情。
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