什么是时间膨胀

按照相对论，运动物体的时间变慢，这让人感到很神秘。因为我们通常觉得，时间就像一条河流匀速流过，所有物体都处在这条河流之中，无论物体怎样都是影响不了这条河流的。

事实上，时间变慢就是物体的一切变化都变慢了，就像视频在慢速播放一样。本来一个小时的视频，你两个小时才放完，视频里的世界时间变慢了，也可以说是时间膨胀了。

举个例子，张三和李四都在广州。张三一直留在广州，而李四乘飞机以接近光速从广州飞向北京(假设两地相隔极其遥远)。出发时两人都是0岁。李四到达北京时10岁，而张三20岁。因为飞机在运动，飞机上所有物体的一切过程都变慢了，包括时钟的转动，张三的生理过程都变慢了。

当然时间变慢比放慢镜头这更复杂。因为细想会有疑问，运动是相对的，李四相对张三运动了，而张三相对李四也运动了呀，凭什么两人见面时张三更年轻呢？

确实是这样。刚才是从张三的角度看的，即以地球为参照系。现在从李四的视角看，即以飞机为参照系。而在李四看来，自己静止，地球在相对自己运动。当自己在北京时10岁，而张三才5岁。因为地球在运动，它上面的一切都变慢了，包括张三的生理过程都变慢了。

那李四10岁的时候，张三究竟是多少岁呢？5岁还是20岁？这里关键是，同时是相对的，决于你所采用的参照系。以地球为参照系，张三20岁和李四10岁是同时的，以飞机为参照系，张三5岁和李四10岁是同时的。

他们谁更年轻，是没有客观答案的。但如果飞机到北京后立刻调头返回广州，两人见面，那情况就不一样了，这时李四更年轻，张三40岁，李四20岁。从张三的角度看，很容易理解，因为李四一直在运动，时间速度只有自己的一半。

而在李四看来，自己调头的一刹那，张三从5岁突然变成了35岁。自己静止，张三从远方向自己而来，10年后两人再次见面，这时自己20岁，由于张三在运动，时间过得慢，只从35岁增长到40岁。

为什么在飞机调头的一刹那，相对于张三来说，李四没有变老，而相对李四来说张三突然变老了呢？因为在这一瞬间，两个参照系的地位是不一样的。在地面参考系，情况和往常没区别，而飞机就不同了，那一瞬间通常的规律是不成立的。就像你坐车时，刹车或加速，车内物体的运动是和平常不同的。

为什么会有时间膨胀

从光速不变原理可推出运动物体的时间变慢

光速不变原理：

相对于所有的参照系，光在真空中的速度都相同

比如下图，火箭A和火箭B运动方向是相反的，但同一束光，相对于它们的速度却相同。

光速不变原理严重违反了我们的日常生活经验。因为按经验，火箭A与光的运动方向相反，火箭B追着光运动，所以那束光相对于A的速度应该更快。但实验表明光的速度与参照系无关。

时间膨胀

我们用光子钟来测量时间。两面平行的镜子，光在两个镜面来回反射，光的运动方向垂直于镜面，就构成了光子钟。已知光速是C，假设镜子间的距离是L，光从一面镜子到另一面镜子的时间是L/C。我们可以利用光在镜子间来回反射的次数来计时。

我们有两个相同的光子钟，其中一个在地面，另一个在飞船上，镜面和飞船运动方向相同。见下图。

从地面的观察者来说。在地球上光从下面的镜子运动到上面镜子的时间为L/C。飞船上的光从下面运动到上面镜子时，需要的时间更长。因为它到达上面镜子时，镜子已经运动了一段距离，光的运动路线并不垂直于地面，而是倾斜的，它的运动距离更长。而光速不变，所以时间更长。也就是地面上的光子钟的时间已经超过了L/C。

但对飞船上的观察者来说，飞船是静止的，光在镜子中跑一次的时间仍然是L/C。

也就是说，同样一件事，即光从飞船上的镜子到达另一面镜子，飞船上的时间短于地面上的时间。比如飞船上是1秒，地面上是2秒。即飞船上的时间变慢了。

为什么同时是相对的

       下面用光速不变原理推导同时的相对性。

有一列火车匀速向前行驶。火车中央有一盏灯，灯打开后，向四面八方发出光。有的光照向车头，有的照向车尾。对火车上的观察车来说，火车是静止的。灯离车头和车尾的距离相等，而光速是恒定的。所以光到达车头和车尾需要的时间相同，即它们是同时的。

现在考虑地面上的观察者。相对于他来说，火车是行前行驶的，光照向车头，而车头也向着同一个方向前进，所以光需要追赶车头。另一束光照向车尾，而车尾迎着这束光的方向前进。根据光速不变原理，不管对哪个观察者，光的速度都是一样。所以光向车头和车尾的速度一样。所以先到达车尾，后到达车头。

可见，光到达车头和到达车尾这两件事。相对火车来说，它们是同时的。相对地面来说，它们不是同时的。