为什么速度接近光速时间变慢（时间快慢时间膨胀）

迭代版本：194

本文，首先将会，分别从狭义与广义相对论的角度，来解读时间膨胀的机制和原理，其中穿插着相关实验的验证，和思想实验的分析。

接着，会从微观角度的图景，去统一时间膨胀在狭相与广相中的不同。

最后，会从光速角度去看待，时间、信息、以及狭相之间的关系。

主题目录如下：

• 时间膨胀
• 狭相中的时间膨胀
• 钟慢效应
• 尺缩效应
• 钟慢和尺缩的相对性
• 广相中的时间膨胀
• 狭相与广相结合的时间膨胀
• 加速度的不对称性
• 双生子佯谬
• 微观角度的时间膨胀
• 光速不变原理
• 从不同角度看光速不变
• 时间静止
• 超光速
• 结语

时间膨胀

时间膨胀，就是时间会变慢，也就是时间的流逝速度会变慢，而我们的时钟记录的，其实并不是时间的流逝速度，而是在时间流逝速度下经历了多少时间，即时间流逝量。

于是，时间变慢，最终就会让积累的时间变少，也就是时钟的记录信息减少，也称为——钟慢效应。

而在狭义与广义相对论中，已经明确给出了，可以产生时间膨胀的原因和路径，并且都经过了实验的证实。

狭相中的时间膨胀

虽然，狭相可以处理加速度（切换参考系获得变速），但这里不考虑有加速度的情况，所有的运动都是指匀速运动。

匀速运动——只有匀速直线运动，匀速圆周运动加速度不为0，不是匀速运动。

那么在狭相中，速度越快时间越慢。

通俗的来说，就是如果我们测量一只，运动的时钟——向着我们远离或靠近都可以，就会发现动钟的时间变慢了，而如果我们以同样的速度，和动钟一起运动（即相对静止），那么此时，动钟的时间就不会变慢。

这里有两点需要注意：

第一，就是动钟的速度需要抵达光速的10%（即每秒3万公里），时间膨胀才会比较明显，即时钟计时变慢的比较明显。

第二，就是动钟并不是“普通时钟”，而是“放射性衰变时钟”，因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺——就是它的半衰期。

钟慢效应

这个相对运动使时间变慢的现象，就是狭相中的——钟慢效应，且早已被各种实验所证实——例如，渺子（μ子）实验：

渺子是一种轻子，其半衰期为2.2微秒，地球上可以观察到来自宇宙的，速度接近98%光速的渺子——这就构成了相对地球高速运动的时钟。

接着，我们测一下高山上渺子的密度，再测一下地面上渺子的密度，按照渺子的半衰期时间计算，渺子在地面上应该已经衰减一大半了，因为从山顶到地面的时间——已经是渺子好几个半衰期的时间了，但经过实验发现，地面上渺子的衰减数量要少的多。

这是为什么呢？

原因就在于，从地面的观测角度来看，渺子的高速运动，让其出现了——钟慢效应，也就是半衰期变长，所以才会有更多的渺子，出现在了——本来不应该出现在的地面。

尺缩效应

如果认可了时间和空间，是不可分割的时空，那么显然，时间上的钟慢效应，也会让空间上，同时出现某种效应，这就是——尺缩效应。

尺缩效应——是指相对运动的物体，其运动方向上的长度，要短于其相对静止的时候，也就是长度收缩，并且运动速度越快，长度越短，但在其垂直运动方向上的长度不变，因为垂直方向上没有相对运动（后面会谈到，这种结果，表明尺缩是观测效应）。

那么，物体的长度与空间，有什么关系呢？

这其中的奥秘就在于，我们如何知道物体的“长度”——其实，就是必须同时获得物体两端的空间位置，从而才能计算出物体的长度，所以，长度其实就是我们观测到的空间性质。

但，我们又如何“同时”获得不同的空间位置呢？

试想，一个物体的长度超过一光秒，在一秒之内，我们必然无法同时获得物体两端的空间位置，因为位置信息需要一秒以上才能获得。

由此可见，长度与时间也有着直接关系，所以长度其实是时空的性质，而时空的特性就是——时间变慢，空间就会缩短，前者就是钟慢，后者就是尺缩（后文会解释为什么）——并且，没有时间，就没有长度，或说没有距离，客观上也没法测量。

这里需要说明的是，并没有实验直接证实了尺缩效应的物理存在。也就是说，并没有实验观测出，物体在运动状态下，其运动方向上的长度会收缩。当然，也没有实验证明尺缩效应不存在，而是没有设计相关实验。

实际上，钟慢与尺缩效应在数学上（洛伦兹变换），是相互依存的等价关系，也就是说一个成立，另一个就必须成立，要么都成立，要么都不成立。因此，如果实验证明了钟慢效应，那么尺缩效应在逻辑上，就是不证自明的。

历史上，洛伦兹首先推导出了长度收缩公式，并提出了长度收缩假说，即物体会在运动方向上收缩，导致其密度增大。

那么，钟慢效应都被实验证实了，为什么尺缩效应，没有设计试验去验证呢？

这就要说到，时间膨胀的相对性。

钟慢和尺缩的相对性

在狭相的视角下，时间膨胀是相对的，也就是说，钟慢和尺缩是相对的。

意思就是：相对运动的双方，以各自的视角来看，都是对方钟慢尺缩。因为在相对运动中，可以把任意一方看成静止，另外一方在运动，而运动速度决定了钟慢尺缩的程度。当然，如果相对静止，则双方都没有钟慢尺缩。

由此可见，如果我们切换参考系，就会得到不同的相对速度。于是，这就会得到一个重要的结论——就是切换参考系，会带来时间和长度的变化，即时间和长度的跳变。

事实上，这种相对性表明，钟慢尺缩——是相对运动产生的观测信息的变化，而不是物理实质的变化。

关于这点，爱因斯坦曾说过：“长度缩短，是由于测量者处于不同参考系引起的，不是实际的缩短。”——用几何语言来说，就是坐标系的转换，所带来的坐标数值的变换。

那么，其物理原因就在于，观测信息的传递，本身需要时间，而运动影响了观测信息的传递，然后我们又会用观测到的信息（其中含有观测传递消耗的时间），来计算时间及长度。

这个信息转换的过程，从数学上来看，就是切换参考系（换系），需要用到洛伦兹变换，而通过公式我们会发现，把一个参考系的时间和长度，转换到另一个参考系的时候，就会产生钟慢尺缩的计算结果，因为公式计算中，时间与长度的值——是相关于速度与光速的比值的。

洛伦兹因子——1 / sqrt(1 - (v/c)^2)，v是相对速度，c是光速。可见，速度越接近光速，分母越小，洛伦兹因子越大，如果速度无限接近光速，洛伦兹因子则无穷大，而换系的时候，我们需要把静系（自身参考系）的时间乘以洛伦兹因子，长度除以洛伦兹因子，长度就可能无限小。

显然，光速是信息传递的极值（参看后文，光速不变原理），相对速度影响了被测信息的传递，被测信息决定了时间与长度。

那么，一切就很清晰了：如果物体抵达光速，光速无法追上光速，被测信息就无法产生并传回，这相当于时间慢到静止，长度短到不存在，而速度逼近光速的过程，就是时间与长度逼近静止与不存在的过程。

对于相对性，还有一个作用，就是可以让钟慢实验“反过来”——可以证明尺缩效应。

还是那个渺子实验，上次我们解读的视角是，地面静止，渺子高速向地面运动，得到的结果是渺子钟慢；这一次我们利用相对性，换一个视角，把渺子看成静止，那么就是地面在高速向渺子运动。

于是，地面包括整个地球都会在运动方向上“收缩”——结果整个运动路径上的空间都会缩短（长度是空间的观测性质），因此渺子就会存在于更加靠近地面的地方，而不是提前衰减消失。

由此可见，为什么没有实验，直接去验证尺缩效应？

• 一方面，是因为验证实验难以设计——这需要把宏观物体加速到，相对论效应显著的速度，即：大于10%的光速。
• 另一方面，是因为证明钟慢就等价于证明尺缩了。这就像在数学上，存在一个无法直接构造证明的命题，却可以通过反证法证明，接着人们对直接构造证明这个命题，也就失去了兴趣。

最后，如果时间膨胀是绝对的，会怎么样呢？

这时，时间变慢就会积累到原子钟的信息记录之中，也就是让微观粒子的运动变慢，即半衰期变慢，从而无论是相对运动，还是相对静止，原子钟都会出现钟慢结果——这代表着粒子运动减慢的信息，体现在了半衰期之中。

也就是说，如果我们能够和渺子相对静止，此时渺子的半衰期还是变慢，这就说明了渺子发生了绝对时间膨胀。

事实上，如果渺子经过强引力场附近，就会产生绝对时间膨胀，即：它的半衰期会变慢。

广相中的时间膨胀

在广相中，引力质量会让时空弯曲，时空弯曲意味着时间和空间的几何结构，一起“被拉长”（即几何畸变），因此时间也就变慢了，所以引力质量越大，时空越弯曲，时间就越慢。

引力质量——就是物体相互之间吸引力大小的度量。

而等效原理指出，引力质量等效于惯性质量，所以惯性质量越大，等效的引力质量就越大，那么时间就会越慢。

惯性质量——就是物体改变运动状态的难易程度的度量。

那么，当物体有加速度的时候，改变其运动状态更难，这相当于增加了惯性质量。所以，加速度等效惯性质量等效引力质量，即：加速度越大时间越慢。

例如，水平拉动一辆车，需要克服其惯性质量，但如果车有反向加速，此时就需要付出更多的力才能拉动，效果上就像惯性质量变大了一样。

需要注意的是，如果车反向受力没有加速度，或反向有速度没有加速度，此时也需要付出更多的力才能拉动，但并没有增加惯性质量，因为没有加速度，微观粒子的状态就没有变化。

而换个角度来看，在局域加速场与引力场等效，因此在局域，加速度越大引力场越强，所以时间越慢。对此，弦理论专家——布赖恩·格林（Brian Greene）在《宇宙的琴弦》一书中，说道：

“爱因斯坦证明了，在所有加速运动的情形中，空间都是弯曲的。实际上，加速运动不光导致空间弯曲，也导致类似的时间弯曲。（历史上，爱因斯坦先关注的是时间弯曲，然后才发现空间弯曲的重要性。）……我们看到，在旋转的环上，大的加速度是与缓慢的钟联系在一起的——就是说，加速度越大，时间弯曲越强烈。”

需要指出的是，加速度与引力，只是在局域（即小尺度，如电梯飞船）上等效，在全域（即大尺度，如地球范围）上并不等效（只是近似）——因为加速场是均匀的，而引力场是不均匀的，这种不均匀，在小尺度上近似均匀，但在大尺度上会体现出差异性，如只有引力场才能产生潮汐力。

另外根据，有速度有质量，就有动能（E = mc^2(γ - 1)，γ是洛伦兹因子），动能即是能量，能量等价质量（E = mc^2），但此时动能转化的质量为——“动质量”（mγ - m），这是相对运动的产物，即与参考系选择有关，所以无法等效于引力质量。

动质量——是运动的动能，所等价转化的质量，所以其实是能量。相对论动能公式是：E = mγc^2 - mc^2，m是质量，γ是洛伦兹因子；在v << c时，E = mv^2 / 2（泰勒级数近似）。动能等价的动质量是：E / c^2 = mγ - m = m(γ - 1)，速度不为0，γ大于1。

我们可以粗略地把质量——看成是加速度的效果，即运动趋势的度量；而动质量——是速度的效果，即相对运动的度量。

因此，没有加速度，只有相对速度，就没有质量，只有动质量。

那么，对于匀速运动，无论速度有多快，即动质量有多少，都无法引起时空弯曲，产生引力效应（即引力是弯曲的效应），并让时间变慢——不要忘了，动质量与参考系选取有关，并不是绝对的存在。

相对论质量——是动质量与质量之和，是测量相对运动时的质量，即：mγ（相对论质量） = E / c^2（动质量） m（质量），E是相对论动能，m是质量，γ是洛伦兹因子。

注意：“相对论质量”不用于粒子物理，在狭相中使用“相对论能量”代替，也称为“总能量”，而“静质量”或“不变质量”通常优于“静能量”。

这从另一个角度解释了，如果没有质量，只有能量（E = hv，h是普朗克常数，v是频率）——比如光子（无法有加速度），只有能量转化的动质量，是不能够产生引力质量的——这表明，光子不能让时空弯曲，产生引力效应与时间膨胀。

理论上，光是一种电磁波（宏观），电磁波是电磁场的一种运动形态，而电磁场又具有非零的能动量张量，将其代入爱因斯坦的场方程，就可以求出电磁场产生的时空几何变化，从而产生时空效应。但在实际中，引力实验的精度，还无法测出电磁场的引力效应。

事实上，一个光子和很多个光子，是非常不同的两种情况，前者的个体状态信息是概率的叠加，而后者具有确定的整体状态信息。

从另一个方面来看，目前的理论（相对论与量子力学）还无法在微观描述引力，而光子是微观模型（小尺度），电磁场是宏观模型（大尺度），引力效应是从微观不存在，到宏观存在的涌现。

甚至，没有质量的光子，也不存在时间，即时间不再流逝，相当于时间静止。

因为，没有质量（即没有惯性质量和引力质量），就没有了阻力（惯性力），速度就可以抵达光速——此时，速度抵达最大极值，时间慢到最大极值，相当于时间慢到无限接近静止。

由此可见，时间与质量相关，结合原子钟的半衰期来看，时间的快慢——就是微观有质量粒子的运动快慢，即：时间越快，微观粒子的运动越快，时间越慢，微观粒子的运动越慢。

那么与狭相不同的是，在广相中的时间膨胀，不是相对的，而是绝对的。意思就是说，时间变慢了，无论在哪个参考系观测，哪怕相对静止（有一方静止在引力场中），时间都是变慢了。

要知道，时间记录的是——时间流逝量，那么绝对时间变慢——就是时间流逝无关参考系的观测，以相同的速度变慢；而相对时间变慢——就是时间流逝对于不同参考系的观测，以不同的速度变慢。

例如，在狭相中，相对静止时间流逝不会变慢；但在广相中，相对静止，但有一方处在引力场中，那么在引力场中一方，时间流逝依然变慢。

而从微观角度来看，绝对时间变慢——就是微观粒子的运动（半衰期）变慢；相对时间变慢——就是微观粒子的运动（半衰期）并没有变慢，但在不同参考系观测下，相对变慢。

最后，关于理论的验证，在现实中，广义相对论所预言的引力时间膨胀——引力红移，已经被天文观测所证实。

引力红移——是在强引力场中，天体发射的电磁波波长变长的现象。

那么，引力红移的时间意义就是：

• 靠近强引力场，光振动介质（电磁场）的密度变大，导致其振动频率变快，波长变短（蓝移）——看引力场之外的一切会变快。
• 远离强引力场，光振动介质（电磁场）的密度变小，导致其振动频率变慢，波长变长（红移）——看引力场之内的一切会变慢。

狭相与广相结合的时间膨胀

由前文可知，相对运动，即产生了相对速度，这会产生——狭义相对论的时间膨胀；而有引力质量和惯性质量，即产生了加速度，这会产生——广义相对论的时间膨胀。

其中，狭相的时间膨胀——是相对的，相对静止后，时间膨胀消失；广相的时间膨胀——是绝对的，相对静止后（仍有一方静止在引力场中），时间膨胀不消失。

那么，如果是变加速度运动，则就会产生变化的惯性质量，于是时间流逝速度也会随之变化；而如果处在引力场附近，时间流逝速度就会恒定，但流逝速度会与引力场之间的距离相关，即：越靠近引力场时间越慢，反之越快。

事实上，在现世界之中，从相对静止到产生相对速度，都必须经历加速或减速的过程，这就会关系到广义相对论，产生绝对的时间膨胀。

然而，有一种情况，始终保持相对静止，也可以产生时间膨胀，就是有一方被引力场靠近，但双方都没有相对运动，此时双方的时间就会不同。

接下来，看一个现实世界的实验：

把铯原子钟（每2000万年误差1秒），放到飞机上高空飞行一段，然后回到地球，对比地面上的铯原子钟，发现飞机上的铯原子钟，时间变快了。

这是因为，飞机上的铯原子钟，远离地球，也就是远离引力场，其时间膨胀要小于地面。于是，飞机上铯原子钟的时间流逝变快，这种变快会被时钟记录下来，等到回到地面的时候，时钟记录的信息就会因为——变快的积累效应，明显的多于地面铯原子钟的记录信息。

需要注意的是，飞机上的铯原子钟，飞行的时候对比地面，有相对速度，就会有狭相的时间膨胀，但等到飞机回到地面的时候，这个狭相的时间膨胀就恢复了，于此同时广相的时间膨胀也消失了——因为两个钟都在地面上了，此时两个时钟的时间流逝速度，恢复到了一样。

只不过，在飞机上的时候，广相的绝对时间膨胀，被积累进入了时钟的记录信息，而狭相的相对时间膨胀却没有，因为狭相的时间膨胀需要——观测相对运动才能体现出来。

最后，来看一个狭相与广相结合的实际应用：

全球定位系统（GPS），需要卫星时钟与地面时钟进行校准，这时候，卫星时钟会因为远离地面（远离引力场），而时间膨胀小于地面，即时间流逝变快，但又因为卫星在轨道上相对于地面高速运动，而时间膨胀大于地面，即时间流逝变慢。

可见，在这种情况下，狭相的相对时间膨胀，因为需要观测卫星与地面的相对运动，所以需要被计入时间的校准计算。那么此时，狭相与广相结合起来的计算数值，才是最终卫星校准地面的数值。

事实上，如果不同时进行这两种时间膨胀的校准计算，那么GPS每进行12个小时的定位计算，结果就会出现大约7米的偏差。

加速度的不对称性

首先，匀速运动是相对的，并具有对称性，即：速度是相对的，并具有对称性。

也就是说，匀速运动的双方，在彼此眼里的运动状态是相同的，而切换相对的视角，就是参考系的切换（即换系），遵循洛伦兹变换，其结果会产生相对的钟慢尺缩。

其次，力是绝对的，不具有对称性。

因为力是相对于宇宙的，而不是相对参考系的。这可以理解为，力的作用是改变自身的运动状态，而自身的运动状态，在微观是和宇宙场相关的，即：力是相对于宇宙场的。

所以，A受力有加速度B静止，并不等同于，A静止B有相对加速度。因为A受力是相对宇宙场的，而B相对宇宙场始终不受力。所以，A会产生绝对时间膨胀，B则不会。

可见，在受力的时候，AB的时空效应——具有不对称性，且受力就会有加速或减速，这都是在和宇宙场相互作用，从而就会产生绝对时间膨胀。

而这个不对称性，也可以从等效原理看出，即：

只要我们把加速度用引力场替换，那么拥有加速度的观察者（现在处在引力场）就是相对静止的，但与没有加速度的静止观察者相比，它显然具有不对称的引力场。

那么，受力产生的加速度——就是绝对加速度，不受力产生的加速度——就是相对加速度。

而只有绝对加速度，才具有不对称性，并且区别相对与绝对加速度的方法，就是在参考系中进行力学实验，检测物体在参考系中，是否能够保持惯性状态。

例如，两个有相同加速度的飞船，它们之间没有相对加速度，但它们都有绝对加速度，并会产生绝对时间膨胀，此时两飞船相对来看，是相对静止的，不会认为自己和对方有加速度，但在飞船中进行力学实验，就可以测出加速度。

事实上，绝对时间膨胀是受力的产物，但这个力不能是赝力（假想力）的产物，如惯性力产生的加速度，就不具有绝对时间膨胀——因为此时物体依然保持惯性状态，其加速度是相对于参考系的相对加速度，即参考系受力产生的绝对加速度。

然后，加速度其实可以分解为，无加速度的换系。

其原理就在于，把加速度分解成无穷多个，瞬时速度的组合，此时这些瞬时速度所在的参考系，没有受力没有加速度，但每个参考系的速度都不同。

于是，加速度运动，就可以看成是，在这些参考系之间的切换，即不停的换系。而每次换系，相对速度都会变化，应用洛伦兹变换，就会产生钟慢尺缩，即产生时间跳变。

那么，在此视角下，就是去除了加速度，只剩下了一系列的相对速度。而经过不断换系之后，时间跳变都会积累起来（不同参考系，正值或负值），以让有加速度的一方，得到不对称的——绝对时间膨胀。

这背后的意义就在于，换系会产生不同的相对速度，这在历史变化中，就一定出现过受力与加速度，否则一切都是相对静止的。而之所以，换系会带来时间跳变，这其实反应了——宇宙场的历史变化，即受力有加速度。

最后，从微观角度来看，质量就是宇宙场自发对称性破缺的产物——不具有对称性，这呼应了力和加速度的——时空不对称性，而绝对时间膨胀则对应了物质的——微观绝对变化。

因此，有相对时间（相对速度带来的相对变化），也有绝对时间（加速度带来的绝对变化），并且时间的绝对变化会映射到时空上，从而时空是绝对的。

时空的绝对变化，对应到几何图像上，即是加速度在时空中的轨迹线，其形状会存在曲线（如螺旋或弯曲），而不是直线——因为加速度产生绝对时间膨胀，时间绝对变慢导致时空轨迹出现曲线偏转。

但需要注意的是，只有相对空间，没有绝对空间，因为光在空间中运动没有参考系（即光速不变原理），这说明没有绝对空间为光的匀速运动提供参考系。

双生子佯谬

这是一个著名的思想实验，概括起来就是：

双胞胎哥哥在地球上，弟弟从地球出发，加速到接近光速，然后相对地球匀速运动兜一圈后，再减速回到地球，那么此时弟弟就会比哥哥年轻，即待在地球上的哥哥要老。

这是因为，弟弟经历了加速减速的过程（回到地球一定要掉头），此时对应了广义相对论的时间膨胀，即时间流逝变慢，会积累到弟弟的生物时钟之中——也就是他的细胞衰老进程变慢，即年龄增长变慢——但弟弟肯定是无法感觉自己衰老变慢的，因为他的整个生物进程都变慢，包括了他的感觉和意识系统。

值得指出的是，生物体的时间变慢，只是化学反应的变慢，因为细胞衰老只在分子层面，也就是说，只需要电磁力减弱，即原子分子中带电粒子的运动变慢，就可以减缓分子相互作用——注意，电磁力增强，是不容易发生化学反应，不是反应变慢。

事实上，只考虑狭相也是可以解释的，此时弟弟加速减速都是瞬间完成，那么就对应了换系产生的时间跳变，而这个时间跳变则会让弟弟比哥哥更年轻。

需要指出的是，在换系之前，两者的时间差异是相对的（即参考系相关），但在换系之后，时间差异就是绝对的（即参考系无关），即：换系对应的加速度带来了绝对差异。

那么，从几何视角来看，在狭相的平直时空中，无加速度是一条直线，有加速度是一条曲线，而如果加速度是瞬间完成的则是一条折线，那么在空间中，无论是曲线还是折线都比直线要长。

又因为在闵氏时空中，世界线 = 光速路径 - 空间路径——显然在坐标系中两点间的路径（即连线长度），是与坐标系选取无关的不变量，所以世界线也是一个坐标系不变量——而空间路径越长世界线就越短。

世界线——是指物体的时空运动轨迹，其几何长度与坐标系选取无关，是一个坐标系不变量，由光速路径减去空间路径计算，所以空间路径越长，世界线就越短。

也就是说，曲线或折线的世界线比直线要短，这意味着——世界线长度对应的时间（固有时）更少，即：有加速度的弟弟比哥哥更年轻。

固有时（Proper Time）——是指固有的时长，代表着静系时间的流逝，也就是时钟自身坐标系（即静系）下时间的读数，它是一个坐标系不变量，也就是在任何运动坐标系（即动系）下都一样，其数值对应了世界线的长度，即：固有时 = 光速路径 - 坐标时路径。

坐标时——就是随着坐标系变化的时长，代表着动系时间的流逝，它是一个相对变化量，与固有时的关系是，坐标时路径（动系） = 固有时路径（静系） * 洛伦兹因子（大于等于1），即：静止时（洛伦兹因子等于1）坐标时等于固有时，速度越快（洛伦兹因子越大）坐标时路径越长，也就是坐标时越小（坐标时 = 光速路径 - 坐标时路径），从而体现出相对的钟慢效应。

最后，从更全局的视角上来看，无论是广相还是狭相，都只是从不同的角度，去描述同一个宇宙本质，所以它们必然可以对同一个物理现象，做出解读，并得出相同的结果。

微观角度的时间膨胀

从微观角度来看，如果认可了时间就是“某种变化”的计量，那么时间流逝速度就是——“某种变化”的速度，那么自然，如果物质的“某种变化”速度不同，其对应的时间流逝速度，也就必然会有所不同。

事实上，如果没有质量，也就没有了物质变化，此时速度就会抵达光速（如光子），同时也没有了时间——可以理解为时间静止。

而如果有质量，那么质量越大，时间变化就慢，质量越少，时间变化就快。这是因为，质量代表了物质内部的相互作用力，这个力影响了物质变化的快慢（如黑洞内部）。

以上结论，可以结合质能方程（狭义相对论）和普朗克公式（量子力学）得出，因为：

• 质能方程：E = mc^2（E是静能量，m是质量，c是光速）
• 普朗克公式：E = hv（E是能量，h是普朗克常数，v是频率）
• 如果普朗克公式中，限定E的范围是静能量，就可以推出：v = m * (c^2 / h)（c，h均为常数，v是静频率）

所以，静频率（v）是和质量（m）成正比的（c^2 / h是系数），而静频率——代表着静止的周期，它反比于时间的“滴答”声，即：反比于时间流逝的速度。

于是，质量越大，静频率越高，静止的周期越多，时间流逝的越慢，反之质量越小，静频率越低，静止的周期越少，时间流逝越快，而光子没有质量（有动质量）、没有静能量（有动能），就没有静频率，就没有静止的周期，所以就没有时间的流逝，或说时间静止。

综上可见，时间计量的就是质量变化的积累信息——这也就是时钟记录的信息的本质。

那么，这也对应了，质量越大、加速度越大（等效质量越大），时间就越慢——这就是广义相对论的结论；而相对速度越快，等效的动质量越大，时间相对的就越慢——这就是狭义相对论的结论。

从此，我们可以看出，在狭相中，相对速度增加，并没有增大质量，只是增大动质量，所以，这种时间的膨胀效应，只是相对的，而不是绝对的。

那为什么会出现这种相对性呢？让我们回到问题的发源地——时间代表的到底是什么？

通过前面的论述可知，时间计量的是——质量变化的积累信息，所以其本质上是一种信息。

那么，来到信息的视角上，我们就会发现一个关于信息的基本事实——那就是，信息的传递是不能够超过光速的，因此信息的传递过程就一定是需要时间的。

同时，我们会发现，当我们测量时间的时候，其本质是在获取——相关的变化信息（如粒子衰变信息）；而获取长度，就是在获取——物体两端的空间位置信息。

显然，我们获取这些信息的过程，是需要时间的，并且个时间会因为，物体的相对运动而产生变化。

于是，由此可以判断，相对运动无加速度，此时质量并没有变化，时间膨胀——是信息传递时间带来的效果，也就是说，相对运动，影响了测量信息的传递过程。

这很好的解释了，为什么相对静止后，狭相中的钟慢尺缩消失了——因为此时信息传递时间，不再受到相对运动的影响了。

所以，狭相中钟慢尺缩的根本原因，就是信息传递需要时间。

而钟慢与尺缩，相互等价协变，即时间变慢，空间就要变短，这是因为质量并没有真正改变——从某种角度来看，时间变慢是质量变多，此时空间变短，就是在压缩密度，以维持质量不变。

由此可见，狭相中的钟慢尺缩，都是信息传递出“影像”，而广相中的时间膨胀，是质量的绝对改变，所形成的绝对时间变慢。当然，这种绝对变慢，在观测中，也可以被相对运动中的变快，所中和抵消掉。

那么，让我们再次回到，验证了钟慢与尺缩的渺子实验，这次我们从微观角度来解读：

显然，渺子的频率不同，就会影响其半衰期，而不同的参考系，观察到渺子的相对运动是不同的，相对运动不同，其体现的动能就不同（E = mv^2γ^2 / 2，v是相对速度，γ是洛伦兹因子），而不同能量影响了渺子的频率（E = hv，h是普朗克常数，v是频率）——最终影响了其半衰期。

最后，总结起来就是：

• 从狭相角度来看——时间与相对运动有关，不同的相对速度，有不同的时间。
• 从广相角度来看——时间与绝对加速度有关，不同的加速度，有不同的时间。
• 从微观角度来看——时间与微观状态有关，不同的微观状态，有不同的时间。
• 从时空角度来看——时空是不可分割的整体，时间空间的变化，具有绝对性。

光速不变原理

事实上，钟慢和尺缩效应——是狭义相对论的直接推论和预言，而狭义相对论的基本出发点之一，就是光速不变原理——也就是说，狭义相对论直接使用了这个结论。

光速不变原理——是指无论在何种惯性系中观察，光在真空中的传播速度都是同一个常数，不随光源和观察者，所在参考系的相对运动而改变。

这很有意思，通俗地来说，就是无论你以什么样的速度，追着光运动，相对于你来说，光速始终都是同一个常数。这是不符合宏观速度矢量叠加原理的，也就是说，如果你以99.999999%的光速追赶光，在你看来，光依然以光速远离你——这个光速依然是同一个常数。

那么，如果你抵达了光速，光会相对于你静止吗？光会像波又像粒子一样，悬停在你的面前吗？

很可惜，狭义相对论认为，有质量物体，是永远无法抵达光速的。

历史上，光速是一个常数，是由麦克斯韦方程组得到波动方程，然后求解出的结果。但这个光速是相对于一个静止的参考系的，即假想中的以太。

以太——是人们曾经认为的，在宇宙空间中充满的一种看不见摸不着的物质，即空间介质。

接着，「迈克尔孙-莫雷实验」证实——以太这种物质不存在，因为测量不到地球相对于以太参考系的运动速度。

但洛伦兹，相信以太还是存在的，他提出了长度收缩假说和洛伦兹变换，即引入了洛伦兹因子（又称相对论因子），来说明以太可以运动，即长度可以收缩，从而抵消了光速在不同参考系观察下的速度差，以符合「迈克尔孙-莫雷实验」的结果——光速不变，但又让以太存可以在。

事实上，洛伦兹认为洛伦兹因子，并没有物理意义，只是纯数学的处理。

再接下来，爱因斯坦根据洛伦兹变换，提出了狭义相对论，并且他认为以太不存在，且光速不变，那么只有假定光速相对于任何惯性系都不变，同时洛伦兹因子本来代表的——以太的收缩，就被转移到运动的物体上。

由此可见，钟慢与尺缩，最初是来源于数学公式推导的结果，而不是对现实世界的物理思考。

同时，我们也可以看出，洛伦兹变换，并不能证明光速不变，反而洛伦兹变换是假定光速不变，才被推导出来的，接着钟慢和尺缩又被洛伦兹变换推导出来。

所以，能够证明洛伦兹变换、钟慢和尺缩的就是——光速不变原理。

然而，光速不变原理——只是一个基本假设，即公理，只能由实验保证。

从不同角度看光速不变

第一，光在不同介质里的速度不同。

这可以从波粒二象性，两个角度来解读：

• 从粒子角度来说，是介质吸收了光子，发射出了新的光子，光子速度不变，且光子量子态全同前后没有区别，但发射和吸收有延迟。
• 从波角度来说，是介质里的粒子被扰动产生电磁波，于是产生了光波的叠加，造成光波的相速度变慢（相速度无法传递信息），但波前速度依然不变。

第二，信息传递不能超光速。

• 如果与光速物体同向运动，光速物体的信息无法超越光速，传递到非光速物体，因此非光速物体无法计算，光速物体相对于自己的速度——“只得”假定其依然是光速。
• 如果与光速物体相向运动，光速物体的信息无法超光速，传递到非光速物体，因此非光速物体计算光速物体，相对于自己的速度，最多是光速。

第三，量子场论认为，宇宙中充满了场与能量，并且光子就是电磁场的量化激发。

所以，光子光速的传播其实是在场中发生的，因此光速是相对于场，而不是光源的——这就解释了光速相对于光源运动的不变性，而“场”就可以看成是光的“介质”。

时间静止

首先，在狭义相对论中——速度越快，时间越慢，速度抵达光速，时间静止。

理解起来是这样的：时间 = 距离 / 速度，接着利用光（光速不变）走过固定的距离，就可以计算出时间。

例如，在一个从左向右，匀速运动的一节火车上，有一个光源（电筒）在车厢左边，点亮发射光柱，射向了车厢的右边，当光柱抵达车厢右边，火车立即停止运动。此时，光柱以光速，走过了固定的距离，即车厢的长度。

接着在这个过程中，我们安排两个时钟，一个在火车上，一个在静止的地面上，同时观测计算，客观上同一个事件，所需要的时间，那么：

• 对于车厢上的时钟，时间 = 车厢长度 / 光速。
• 对于地面上的时钟，时间 = （车厢长度 火车的运行距离）/ 光速。

再根据，光速不变原理，于是“光速”在地面和车厢上观察都一样，那么结果很明显，在地面上观测，地面上的“时间”比车上的“时间”要变大了，而这就是时间膨胀。

同理，发生在运动方的任何事件，对静止方来说时间都变慢了，而运动是相对的，双方都会觉得是自己静止，对方在运动——于是就是对方的时间变慢了，自己的时间正常。

那么，更进一步，如果运动方抵达了光速，那么运动方的信息，就再也传送不到静止方了，此时对静止方来说，运动方的时间也就无法计时了——相当于时间静止了。

在上述例子中，就是火车速度抵达光速，光柱永远无法抵达车厢右边，此时无论在地面还是车厢上，观测计时会发现，时间慢到无限大——时间静止；而物体抵达光速，对于尺缩来说，就是无法获得物体长度信息，即长度收缩到了不存在——相当于长度为0。

综上可见，在相对运动中，假定光速不随参考系变化，那么在数学上，时间和距离，必然就需要相应的调整，即变慢和缩小——以保证光速不变（c=d/t），其原理就是：

• 如果我们运动距离固定，那么相对运动，就会让双方看待对方的相对距离不同，此时就需要相对时间变慢——保证光速不变。
• 如果我们把运动时间固定，那么相对运动，就会让双方看待对方的时间不同，此时就需要距离缩小——保证光速不变。

显然，我们计算时间和距离，所需要的信息，会因为相对运动，而被影响其传递过程，最终影响到时间的计算结果。

由此可见，时间、速度、距离是相互依赖的变量，并且获取这些变量需要的是信息，而光速就是获取信息的极限值——这相当于把速度给“固定”了，所以时间与距离，都要围绕着光速来变化。

其次，在广义相对论中——物体质量越大，时空越弯曲，时间也就越慢。

那么试想，如果当一个物体的质量极大——无限大，大到让时空曲率无限大，此时时间和空间，就会被无限拉长——也就相当于时间无限慢，并慢到静止了。这时候，连光都无法从这个时空曲率（引力场）中逃逸出来，时间也就不存在了——也没法观测计时了。

时空曲率——意味着几何结构无法在二维平面展开，如球面、马鞍等，而像圆柱则可以在二维平面展开。

事实上，这种情况可以理解为：因为物体质量无限大，即体积无限小，密度无限大，从而令其周围的微观物质结构无限紧密的排列在一起，导致微观物质的变化率（振动）趋于无限小，即：时间计量变成无限小，这就是时间静止。

超光速

在狭相中，光速是物体运动的极限速度，更精确的描述是——质量、信息和能量的传递速度不能超越光速。

然而，有一种假想中的粒子，一直处在超光速运动的状态，称之为——快子，它的质量平方为负数，即拥有虚质量，对应了虚能量与虚时间。

虚数——在数学上就是平方等于负数的数，与实数对应，意义是虚幻不存在的数。

数学上引入虚数是为了简化计算和问题，扩充数学维度，而在物理上一直都是使用实数的。所以，虚数不具有物理意义，也无法对应现实世界的客观存在。

那么按照狭相公式，速度越快时间就会越慢，如果从亚光速抵达了光速屏障，时间就会静止，这时如果速度继续增加，也就是从亚光速加速到超光速，时间就会变成一个虚数。

在狭义相对论下，观察者参考系时间（静系时间） = 运动者参考系时间（动系时间） * 洛伦兹因子——1 / sqrt(1 - (v/c)^2)，当v > c即速度超光速时，洛伦兹因子开根号出现负数，因此时间变为虚数。

可见，狭相的光速，是一个屏障或说是壁垒，阻止了亚光速和超光速，各自抵达光速。

亚光速的物质——就是通常拥有质量的普通物质，速度越快需要的能量越多，抵达光速理论上就需要无限多的能量，这是不可能的。超光速物质——就是拥有虚质量的物质（如快子），它们始终是处在超光速运动的状态，相反对它注入能量越多速度就越慢，但要抵达光速，理论上同样需要无限多的能量，这也是不肯能的。

但，如果仅从数学上来看，有正就有对称的负，所以有正时间就有负时间，即存在时间倒流——只不过，宇宙的演化具有方向，并不像数学只有逻辑性和对称性，而没有方向的限制性。

事实上，如果不考虑信息的传递，有很多事物都是可以超越光速的，如：影子、人浪、量子纠缠与宇宙膨胀。

这里，用人浪来解释一下信息传递：

• 第一种，有信息传递的人浪。后一排，看到前一排的人坐下，才站起来，这样形成的人浪依赖观察前排坐下的信息，这个信息是光速传递的，所以这个人浪无法超光速。
• 第二种，无信息传递的人浪。试想，后一排站起来与前一排没有任何关系，是约定好的时间点。这时，前后排的距离是（d），前后排的站起来的时间间隔是（t），这个（d）和（t）都是人为约定的，所以可以让（d）很大，（t）很小，从而让速度（v = d / t）超越光速。

例如，前排在地球坐下，后排在月球站起来，站起来不需要坐下的信息，所以这个人浪可以超光速。

那么，如果信息不用光来传递，就可以避开光速的限制，或许量子纠缠就是一种超光速传递“信息”，只不过这种信息不是我们可以“理解”的信息。

结语

从广相角度来看，时空弯曲 = 时间弯曲 空间弯曲，其中空间弯曲——就是空间结构具有曲率，而时间弯曲——就是时间在不同的空间位置上有不同的流逝速度，即：时间的流逝速度，对应了空间结构的曲率。

从狭相角度来看，就是不同的加速度，对应了不同的时间速度。

而某个物体的时间速度，可由公式计算，即：时间速度 = 自身时间变化 / 静钟时间变化——可见，相对的运动速度（决定了自身时间的相对变化）对应了相对的时间速度，而绝对的时间速度，则由绝对的时空曲率和加速度决定。

最后，结合广相与狭相来看，光在弯曲的时空中，沿着最短路径的测地线运动，就是沿着时间流逝最快的方向传播，因为测地线是在流形上加速度为0的曲线，任何偏离都会有加速度，从而降低时间流逝的速度。

显然，光不能有加速度，所以光不能偏离测地线，但有质量物体可以，并且加速度越大，偏离就越大，时间流逝就越慢。

那么，在测地线上时间流逝最快，则意味着时间流逝量最多——因此，虽然测地线是空间中两点的最短路径，但却是时空中世界线最长、固有时最大的路径，即：有质量物体衰老最快的路径。

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