为什么速度太快会让时间变慢？

人会觉得外界在变慢，但时间在他的相对参照系里变慢了。也就是说，与地球上的观测者相比，宇航员的时间在变慢，地球上的时间进程也确实在变慢。这看似矛盾，但这就是相对论的结论。这就是著名的孪生悖论。事实上，孪生悖论并不存在。狭义相对论是惯性系之间的时空理论。A和B的参考系不全是惯性系，B是近似惯性系。B推断A更年轻是正确的。但A是非惯性系，狭义相对论不适用。a不能推断B更年轻。其实根据广义相对论，甚至没有广义相对论，想象一下A相对于B变速运动的特殊过程:快速加速-匀速-快速减速然后快速加速-匀速-反向快速减速。根据狭义相对论，仔细考虑时间延迟和同时性的相对性，我们可以得出结论，无论从A还是从B，A都比B年轻，1966年用μ子做了一个类似孪生旅游的实验，让μ子沿着一个直径为14米的圆运动，然后回到起点。实验结果表明，运动的μ子确实比静止的μ子寿命长。似乎可以得出结论，相对于整个宇宙，谁变速运动，谁就更年轻。首先，我们来看一个例子。假设我们家来到了汤普金斯先生曾经在美国科学家加莫夫笔下梦游的城市。在这个城市里，速度极限(光速)很低，所以相对论效应非常显著。来到这个城市后，我们走进一家瑞士手表店，我们每个人都选择了自己最喜欢的手表，并要求店员将三只手表的时间调整到相同的时间。然后，我们来到了一个游乐园，其中一个是乘坐光速，但是车速的速度并没有达到光速。我站在起点A，帮儿子系好安全带。我的儿子快乐地坐在光速的A点..我老婆站在终点站B，A和B的距离是l，公交车就要开了，我下意识的看了看手表和儿子的，时间还不错。最后抬头看老婆的表，发现她的表比我的表慢了一点。没来得及想，车已经如离弦之箭般冲了出去。突然发现儿子的表越来越慢了。当然最后到达终点的时候和我老婆的表是一致的。瑞士手表的质量好像也不怎么样。当我从比赛回来的时候，我将归还他们。回来的路上，我看了一眼妻子和儿子的手表。奇怪！为什么我们的手表会显示每分钟的时间？我明明看到他们的表比我的慢！我把我的发现告诉了我老婆，她说她觉得挺奇怪的，但和我说的略有出入。到了终点线，她发现我和儿子的手表都比她的慢，但当儿子坐车来到她身边时，他的手表越来越快，最后和她的一起到达了终点。这时，儿子加入了我们的谈话。他告诉了我他的发现。他是这样描述的。一开始，他发现父亲的表和他的表一致，母亲的表比他的慢。当汽车开动时，他父亲的表比以前慢了，他母亲的表比以前快了。最后，当他到达终点时，他妈妈的表又和他的表一致了。从上面的例子可以看出，三个人因为状态不同，得出的结论也大相径庭。但是他们都有一个共同的特点，就是每个人都是根据自己的时间来做出判断的。我们知道光速是有限的，光在空间传播需要时间。当所研究的物体涉及到一个大尺度的空间或者物体的速度可以与光速相比时，光通过空间中两点所需的时间就不能考虑进去了，所以通常认为在小尺度、低速度条件下同时发生的两个事件就不能再认为是同时发生的了。也正是从时间的同步性出发，爱因斯坦提出了狭义相对论。在我们生活的宇宙中，时间是一个非物质的量，是人为引入的描述物体运动的物理概念。经典物理学对时间的定义是“绝对的、真实的、数学的时间本身正在消逝，并且由于它的性质，它正在均匀地消逝，而不考虑任何其他外部事物”。在研究空间中的小尺度物体或低速运动物体时，这个定义无疑是正确的，因为它隐含了时间的同时性是绝对的这一概念。但是，在研究空间中的大尺度或高速运动物体时，这个定义是否仍然成立，取决于时间的同时性是如何定义的，也取决于空间中两个事件的时间是如何记录的。假设有两个相同的时钟放在AB中。我们可以用中点法校准两地的时钟。我们说AB中的两个事件是同时发生的，如果AB中的时钟指示相同的时间。这个结论暗示着AB中有两个观察者来记录当地事件发生的时间，然后比较两个时间来判断这两个事件是否同时发生，判断结果与AB的位置无关。从这个意义上说，时间的同步性是绝对的。我们再来看另一种情况。我们仍然使用相同的方法来校准AB中的时钟。从A点观察AB中两个同时发生的事件，结论是A中的事件先于B中的事件，时间差与两地距离有关。同理，从B点观察AB中同时发生的两个事件，结论是B中的事件先于A中的事件..根据这个结论，时间的同步性是相对的。因此，时间的同时性是相对的还是绝对的，完全取决于如何测量时间。狭义相对论处理的是后一种情况。移动物体呢？假设一个火箭从A点移动到b点，火箭上装有一个校准过的时钟。我们仍然使用中点时钟方法在AB点A1，A2，A3之间放置一系列校准的时钟...并在每个位置A1，A2，A3设置一个观察器...记录火箭发射的时间。一切准备就绪。火箭发射了。A点的观测者立刻发现火箭上的时钟变得越来越慢，时间变慢的速度与火箭的速度有关。根据观察者A1，A2，A3......，当火箭经过他们的位置时，火箭上时钟的指示与当地时钟的指示相同。在B点，观测者发现火箭上的时钟比火箭出发前的B点慢，但是随着火箭的靠近，火箭上的时钟越来越快，到了B点就和B点的时钟一样了，如果火箭里有观测者，他就会得出结论，当火箭运动时， A点的时钟变慢，B点的时钟加快，沿途时钟指示的时间与火箭上的时间一致。 在上面的例子中，火箭相对于A和B的运动方向不同，所以从A点和B点得到的结果应该也不同。时间相对于A点较慢，相对于B点较快..时间变快还是变慢，取决于观察者与被观察物体之间的距离是增加还是减少，变快还是变慢的速度与两个物体之间的相对运动速度有关。下面我们将对上面的例子进行定量分析。我们还是用上面提到的火箭例子，把两个校准过的时钟分别放在AB里。火箭以速度v从a点运动到b点，AB两点间的距离为s，设δt 1为火箭经过AB时观测者在AB处记录的时差。设δT2为A点的观测者记录火箭通过AB的时差..当一个物体到达B点时，光返回A点所需的时间为AB之间的距离S除以光速c，根据上述条件，我们可以得到:δT2-δt 1 = S/c(1)S = v×δt 1(2)将公式(2)代入(1)并整理；δt 1 =δT2÷(1+V/C)(3)对公式(3)的分析我们可以看到，当火箭运动速度为V=C时，δT2 = 2×δt 1；当火箭的速度为v < < c时，δt 1≈δT2，因为1+v/c ≥ 1，δT2≥δt 1。我们得出结论，火箭上的时间变慢了，也就是时间膨胀了。当然，这是在A点观察得到的结论..如果从B点看，结论是什么？我们还是让δt 1是火箭经过AB时观测者在AB记录的时差，δT2是观测者在B记录的时差，光从A传播到B所需的时间是S/C..与上面类似，我们可以得到:δt 1-δT2 = s/c(4)s = v×δt 1(5)把公式(5)代入(4)整理出来:δt 1 =δT2÷(1-)。当火箭的速度为v < < c时，δt 1≈δT2，因为方程1-v/c ≤ 1，δT2≤δt 1。于是我们得出相反的结论，火箭的时间变快了，也就是时间缩水了。到目前为止，我们是在光速不变的前提下讨论这个问题的。光速不变的假设是爱因斯坦从迈克尔逊-莫雷证明以太存在的干涉实验的否定结果中推导出来的。在上面的讨论中，运动物体的速度v是通过在AB中放置两个经过校准的时钟得到的，AB和AB之间的距离是L，记录物体在A点的出发时间和物体在b点的到达时间，用两地的距离L除以记录的两地时差，得到运动物体的速度。这个计算的结果和两地的距离无关。当然也可以用另一种方法，记录物体在A点发出的时间，记录物体经过B点回到A点的时间，用距离L除以A点记录的时间差，得到运动物体的速度。这两种算法的结果是一样的。如果从A点看运动的物体，来回走的时候速度是一样的吗？有了上面我们得到的时间膨胀和时间收缩效应的结论，就可以得出这样的结论:一个物体离开A点后速度慢，从B点返回时速度快，这当然是在A点观察得到的结果..狭义相对论还有一个效应，就是标度效应。同样的方法可以证明运动物体的长度随着观察者与运动物体的距离而减小，也存在长度延伸的效应。从上面的讨论可以清楚地看出，同时性是相对的还是绝对的取决于观察时间的方法，没有这一点，强调同时性是相对的还是绝对的是没有意义的。即使按照同时性是相对的观点，时间除了膨胀效应还应该有收缩效应，所以双生子悖论本身是不存在的。