光速与时间膨胀效应

爱因斯坦的狭义相对论表明，时间的流逝速率会随着速度的增加而变慢。速度的极限是光速，速度越接近光速，时间越趋于静止。那么，时间和光速之间存在什么关系？从生活经验来看，时间就是时间，光速就是光速，两者压根扯不上什么关系。对于一艘速度为光速的宇宙飞船，飞到25光年外的织女星，所需的时间为25年。然而，这种计算方式只是对了一半。

从地球上来看，宇宙飞船确实是在25年后飞抵织女星。但从宇宙飞船上来看，飞到织女星只是一瞬间，不需要时间。如果宇宙飞船再掉头返回地球，从地球上来看，这又要25年的时间；从飞船上来看，这只是一瞬间。因此，当宇宙飞船重新回到地球上时，地球上的人已经变老50岁，而飞船上的人还是当初那个样子。也就是说，在不同运动速度的观测者身上，时间流逝速率是不一样的。

不过，相对论禁止宇宙飞船的速度加速到光速。如果假设速度足够接近光速，比如光速的99.999…999%，飞船上的时间也可以过得非常慢，近乎于停止，上述假设的情况仍然还是成立的。不同参照系中的时间流逝速率不是完全相同的，导致这一现象的根本原因是光速不变原理，时间和光速之间确实存在某种意义上的关系。

相对于太阳而言，地球的公转速度为30公里/秒。如果在地球公转方向上发射速度为10公里/秒的火箭，那么，火箭相对于太阳的速度为40公里/秒。然而，如果把火箭换成光，那么，光相对于太阳的速度仍然是30万公里/秒，而不是30.003万公里/秒。也就是说，光速与其他速度的叠加之后不会增加，还是保持光速。爱因斯坦基于这样的原理创立了狭义相对论，并推导出如下的速度合成公式：

根据上式，如果u和v都是0.6c（c表示光速），它们的合速度是0.882c，而不是1.2c。如果u为c，无论v是多少，合速度都为光速c。在日常生活中，u和v远远小于c，所以合速度近似等于u和v之和。但如果速度接近光速，相对论效应将不能忽略，近似公式将会失效。按照绝对时空观，时间和空间都是绝对不变的，光速会随着速度的合成而发生变化。但根据相对论，光速是绝对不变的，这就要求时间和空间会随着参照系而发生变化。

相对论效应在低速下很难探测到，直到能够精确测定时间的原子钟问世之后，物理学家才能进行验证实验。结果表明，相对论效应的预言与实际完全吻合。包括我国北斗在内的卫星导航要求天地时间十分精确地同步，这就要考虑到时间膨胀效应。因为相对论效应会让天地时间每天相差几十微秒，导致定位误差每天累计超过10公里。

更新于 08-01来自作品集物理世界投诉