一秒鐘有多短？這個問題看似很簡單，因為一秒鐘真的很短啊，短到我只能利用一秒鐘的時間來完成一些瑣碎細小的事情：
比如今天我寫的這文章，將鼠標指針從屏幕上移動到“發表”按鍵，再按下它，估計也就是一秒鐘的事情；再比如一次平靜的呼氣或吸氣，需要的時間大概也是一秒鐘；類似的事情還有不少
但今天這篇文章並不是想反過來介紹“一秒鐘其實能完成很多複雜的事情”，而是想從接近光速飛行的宇航員的角度，來介紹一個人們在初次接觸相對論都會深感疑惑的事情——“時間膨脹效應”。
單從時間膨脹這四個字來看，時間這個名詞怎麼能用膨脹描述呢？時間這種概念，並不是實體，何來膨脹一說。而且時間難道不是對每個人都是公平的嗎？難道每個人經歷的時間還會不一致嗎？
這個問題很好，在1905年之前，人們對此確信無疑。在牛頓力學體系中，時間確實猶如正義之神忒彌斯手中的天秤，卻不會因私情而偏向任何一方，每個人所經歷的時間都是一致的，既不會多一秒也不會缺一秒。
但1905年，隨著一篇論文的出世，看似完備的物理大廈開始了震顫，而引起這一切的就是一位名叫阿爾伯特·愛因斯坦的年輕人，雖然當時他只是一位專利局的小職工。關於愛因斯坦的故事，這裡就不多說了，想必大家都有所瞭解。
這篇論文也就是後來的狹義相對論，愛因斯坦在這篇論文裡利用光速不變原理和狹義相對性原理這兩條看似簡單的原理，將狹義相對論推演了出來。而時間膨脹只是其中的一個結論，那麼這個結論到底說了什麼呢？
讓我們再看一眼標題：“對於近光速飛行的宇航員來說，每秒都在經歷滄桑鉅變”，這種描述從直觀上來看，有些莫名其妙，但實際上卻是對時間膨脹效應的生動描述。
因為對於宇航員來講，他們以接近光速的速度飛行一秒（一秒鐘的時間是從他們的手錶上直接得到的結論），但這個一秒只是飛船內部的時間，對於地球上的人來說，因為飛船的速度極高，其內部的時間流逝將會減緩，而地球的時間卻在正常流逝，並且飛船內部的時間減緩程度是隨飛船速度呈正比的，因此就出現了這樣的現象，飛船內過去了一秒，而地球上的時間卻已過去了很久。
（當然了，真實情況下飛船必須經歷加速過程，而這一點實際上在狹義相對論中也可以進行討論，只要規定討論的大背景是平直時空即可，這點在這篇文章中先不做討論。）
可以看下圖的公式：
其中T是外部世界的時間，t是飛船內部的時間，v是飛船速度，c是光速
關於這個公式，如果你不瞭解狹義相對論中的洛倫茲變換也沒關係，文章的最後將會介紹一種通俗易通的推演方法。但這裡讓我們先來解決一個問題，前幾天有朋友問了我這樣一個問題：
飛船進行一分鐘的光速旅行，當宇航員回到地球時還能見到家人嗎？
我的回答首先是明確了一下題目中規定錯誤，飛船再快，它的速度也不能達到光速，借用上面的公式，大家可以看到分母內的根號式，顯然從數學上來講，飛船的速度不能等於光速，當然了，關於這一點在狹義相對論中有更加詳細的結論，這裡先不多說了。
之後，我們將其改為速度無限接近光速，那麼題目的答案是否定的，因為宇航員的家人都早已過世了，或者宇航員自己早已死亡。
這個問題的關鍵在於時間，1分鐘是相對於誰而言，分兩種情況：
①這1分鐘是飛船內部的時間
這就需要考慮狹義相對論的影響了。雖然飛船內部只過了一分鐘，但因為時間膨脹效應，外部世界的時間在飛速流逝，這個流失的速率和飛船速度成正比，越是接近光速，那麼外部時間就流逝的越快。
有可能是飛船內部一分鐘，地球上已經過去了一小時、或者一個月、甚至一萬年，如果願意的話，一萬億年都是可以的，就不談地球上的人類了，這麼久的時間，連地球樣貌都已經發生巨大改變了（當然了，宇宙的命運走向就暫時不考慮在內了）。
很顯然如此誇張的時間跨度，對於地球上的家人來說，鐵定是撐不到頭了，因此，宇航員回來時會發現家人早已去世。
②這1分鐘是地球上的時間
也就是說地球上家人只需等待1分鐘，然後飛船就回來了，結果就是家人團圓。
但結果真的是這樣嗎？這裡有一點不能忽視，那就是加速度，因為飛船需要在一分鐘內完成出發和返回兩個過程，因為飛船需要在短短數十秒內經歷極強的加速度影響。
而這個加速度的下限值就是五百萬米/秒^2，結果顯而易見，飛船因為極高的加速度而導致整體破碎，內部人員直接死亡（就算不破裂，內部人員也得死亡，因為這個加速度相當於51萬倍重力加速度）
那麼結論就是：不論這1分鐘是誰的時間，都沒有好結果，要麼坐飛船的人死亡，要麼地球上的家人老死。如果是後者結果，那麼宇航員在飛船內部的每分每秒，外部世界都在不停的發生著滄海桑田式的變化，這是真的度日如年。
地殼運動、滄海桑田
附加內容：關於狹義相對論時間膨脹公式的一種通俗的推演方法
我們可以想象在一節勻速直線運動的列車車廂內，垂直於車廂天花板和底板有兩塊反射鏡，大量的光子在之間來回反射，那麼對於列車這個參考系，光線的路徑應該是垂直於車廂的。
但對於地面參考系而言，由於列車本身具有速度，因此光線的路徑應該是折線式前進，如下圖所示：
很顯然，兩個參考系內的光線所走過的路程是不相等的，但又因為兩種情況下，光線都是一起達到B點的，也就是說兩種情況下的光速是不一致的。不過這是一個錯誤的結論，因為光速不變原理要求，任意參考系內的真空光速都是一致的。
因此按照這樣的規則，我們進行下圖所示的簡單運算，就能得到時間膨脹公式。
本篇文章的內容到此結束。
謝謝各位閱讀！
以後還會不斷更新精心準備的通俗科普長文
閱讀更多 賽先生科普 的文章
