相對論中時間為何會變慢？初中知識就可以解答！

中國古代的宇宙觀與世界觀，可以從中文的“宇宙”、“世界”等詞語里找到線索。《莊子》：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”世界的世指時間，界指空間，追溯其源頭乃出于佛教。因此空間和時間構成了“宇宙”和“世界”。

探索宇宙是人類永恒的話題，從古至今無數人提出了各種假說，你也可以提各種假說，只要能自圓其說就能成就一方哲學。如果要到科學層面，需要有嚴謹的數學推導和證明并將其量化。

偉大的愛因斯坦基于光速不變，提出狹義和廣義相對論，數學上一統時空。如果你還想提出假說，就必須要理解相對論說啥了。

相關資料網上很多，本文做一些重點總結，只求模型觀，不求量化推導，算是科普。古人云：物理不是物理學家的私藏，而屬于全人類！

在接近光速運行的空間里，時間會變慢

引用一個經典的教科書上的例子來解釋為什么時間會變慢。

下圖為一虛擬實驗，A和B為兩面鏡子，相距為L，光子一面鏡子發射到達對面的鏡子，再返回，則可以測出光速。

但如果空間以接近光速勻速運行，我們沿著與空間運行垂直的方向設置兩面鏡子。如下圖所示，朝右運行。則光子從A到B再回到A的距離變成了斜線。如果光速不變，距離L不變，那只能是時間變慢了。

推導

結論

整個過程連起來就是下圖的效果，注意藍色點。因此，就有著名的經典場景：如果某年輕人坐接近光速的宇宙飛船若干年回到地球，該乘客還依然年輕，而當年的同齡人已是老年。因為接近光速的宇宙飛船上時間變慢。

時間因光速而存在

如果乍眼看，似乎反自然規律，別急，耐心容我解釋一下。

我們可以這樣來理解：萬物(包括宏觀微觀物體)都在運動，運動帶來位置的變化，不妨把這變化理解為小粒子們的組成的狀態改變，而時間就是用來描述物體們從一個狀態變成另一個狀態。所謂的時間快慢就是狀態變化的快慢。而“快”與“慢”都是相對光速而言的。也就是說，上面例子里宇宙飛船上的年輕人之所以還年輕，是因為宇宙飛船上的粒子運動比較慢。

那為什么光速是恒定的？首先這個問題本身就很有問題，會誤導大眾。簡單的回答是，時間是以光速為參照而存在，且是該宇宙的極限速度。根據相對論，質量能量守恒的原理，換句話說，質量能轉化能量，而速度跟能量有關。如果把質量全都轉化為能量了，則速度是極限。這個極限就是光子，因為光子沒有質量。所以，質能轉化是宇宙或自然的規律，光速是宇宙或自然的特征。

如果存在另一個不一樣的宇宙，只要算一下質量轉化成能量，還有光速，就能了解那個宇宙不一樣的“時間”，也能比較宇宙們的異同。因此造世主只要定義了光速，就定義了宇宙。啊，神吶。圣經《創世紀》第3節：神說，要有光，就有了光。

空間是光的軌跡

幾乎萬物都有質量，也有所謂的萬有引力。另一種現代物理的理解是，物體質量影響空間結構，構成勢能，使得有質量的物體會互相靠近，營造出“水往低處流”的場景，如下圖。這個叫做“引力場”。而光在靠近大質量的物體時，會產生彎曲。這里要注意一下，所謂的“彎”和“直”，都是相對的。為什么說兩點之間直線最短？那是因為人們生活經驗主要靠光來觀察事物，而光按照直線運動(比如瞄準或者擋太陽)。換句話說，光怎么走，人們所認識的直線就長什么樣，雖然現實中大家已習慣“本末倒置”了。

再遙望浩瀚外太空，星系如塵埃不可數。若論分布，有些密集，有些稀疏，有些想對高速運動，有些想對低速運動。有些地方，光線軌跡是直的，但有些地方可能是歪歪扭扭的，有些地方時間走得快，有些地方時間走得慢。

如果沿著光線穿越外太空，就有點如下圖所示。而每個小空間所觀察到的光線都是該空間的“直線”。回到篇頭的例子，高速空間里之所以時間變慢，是因為光線走斜線(不是直線)路遠，而導致該小空間里的粒子都變慢，因而變化慢，致使時間變慢。

有人說“時間是按光速朝一個方向運行”，“光速就是空間的半徑”，這些都是很形象的。

空間的變換可以用洛倫茲變換，對其數學公式推導有興趣者，強烈推薦看一下百科介紹，思路頗為精妙。

再用兩個比喻來說明時間與光速。

1. 堵車的地段車速慢，不堵車的地段車速快，如果兩個同一里程出發，在兩個不同地段行駛，這個時候兩個司機通電話互報里程表，對堵車地段的車來說，里程就少，另一車里程就多。里程就是時間。
2. 兩臺計算機同時開始跑一樣的程序自動打單機通關游戲，一臺計算機的cpu計算能力強，另一臺相對弱，如果到某個時刻兩臺計算機相遇，快的計算機已經花費了更多的cpu cycle達到了后面的游戲關卡。這里的cpu cycle就是時間。

超光速？

光速是宇宙的極限速度，因為光子零質量，所以速度最快。但空間是可以“扭曲”的，構成一些“蟲洞”。這樣能通過走捷徑做到比光子更早到達目的地，但并不是突破光速極限。

不過目前似乎沒人知道怎么構造蟲洞。有人說是“暗物質”，通過“負能量”能做到。還有些人說利用量子物理的一些神秘莫測的特性構造蟲洞。期待，那將是物理學開腦洞的另一個里程碑。未來的星際旅行瞬間轉移就靠它了，哈哈。

回到過去？

比光更早到達目的地不代表能回到過去。如果把時間理解為物體變化的紀錄片，如果能把物體還原，比如通過神奇的“負能量”讓粒子沿反方向或者徹底重構，那就是回到過去了。或者有些平行宇宙的理論，跑到另一個宇宙去，這個是另一種完全不同的宇宙觀了。