科學通俗解答：相對論時間膨脹效應是什么，能夠讓人長生不老嗎？

昨天，我發(fā)了一篇介紹引力透鏡效應的文章，其核心內容是通過引力透鏡效應，人們可以直觀地看到質量對時空的扭曲，證明愛因斯坦的時空扭曲理論是真實存在的，是正確的。

有些朋友看了文章后，似乎終于同意了空間是可以彎曲的，但又提出了疑問：空間彎曲了，為啥就一定要帶上“時空”二字呢？這與時間有毛線關系??？其實，在我過去的許多文章，對于時間膨脹的效應已多有闡述，如果看過這些文章的，就不會這么問了。

何謂時間膨脹

時空彎曲理論和時間膨脹理論都是愛因斯坦相對論的內容。在狹義相對論中，愛因斯坦主要闡明了速度和時間的關系，一般叫做速度時間膨脹問題；而在廣義相對論中，著重說明時間與空間彎曲的關系，也就是引力時間膨脹的問題。

愛因斯坦相對論的核心內容就是闡述時間、空間和物質三者關系的，通過一系列詳實的數理邏輯論證，認為時間、空間、物質是三位一體的，論證了在不同坐標系中，時空具有相對性，這從根本上顛覆了經典物理學的絕對時空觀。

論證過程很復雜，這里就不說了。結論很簡單，就是在不同速度和不同引力場中，時間會膨脹，通俗明白點說，就是速度越快的坐標系中，會有尺縮鐘慢效應，距離會縮得越縮短，時間流逝會越慢；而在引力越大的坐標系里，時間就會流逝得越慢。

但有兩個天花板：光速和黑洞史瓦西半徑里面，是時間和空間的終點。當物體運動達到光速時，或者進入時空曲率無限大（引力無限大）的黑洞視界以內時，空間為零，時間將停止。

但光速使我們世界的天花板，凡有靜止質量的物體都無法達到，更無法突破，這是因為質增效應。當物體趨于接近光速時，其動能和質量將會變得無限大。這就是說，即便是1個基本粒子，如果要達到光速，其所需能量和達到的動量也將無限大。

而我們宇宙也是有限的，也就是說，不可能有無限的能量來推動一個有靜止質量的物體達到光速，而達到光速這個粒子的動量將超過宇宙質量，這本來就是個悖論。這個問題我過去已經解釋過多次，今天就不展開說了。

現(xiàn)在我們只通過兩個時間膨脹公式，來說說時間與速度和空間的關系。

兩個時間膨脹公式的意義

狹義相對論給出的速度時間膨脹公式為：t'=t/√[1-(v/c)2]

式中，t'是速度時間膨脹效應值；t是低速系觀測者第一個時鐘時間記錄；v是第二個時鐘相對第一個時鐘的移動速度；c為光速。

廣義相對論給出的引力時間膨脹計算公式為：t'=tx√(1-2GM/rc2)

式中，t'為引力時間膨脹效應值；t為低引力慣性系觀測者時間流逝值；G為引力常數，取值6.67x10^-11N·m2/kg2；M為天體質量；r為天體半徑；c為光速。

期間的推導過程很復雜，就留給那些質疑相對論的“高手”們去挑刺用吧，我們科普就沒必要了解那么高深了。

根據速度時間膨脹效應公式計算，當一個物體運動速度達到光速的一半，也就是每秒約15萬千米時，時間膨脹會達到1.15倍，也就是會慢15%，這樣飛船里的人過了1年，地球人就過了1.15年。

而達到光速的99%時，時間膨脹效應會達到7倍，也就是飛船里的人過了1年，地球上的人過去了7年；而光速達到99.999999999999%時，時間會膨脹707萬倍，飛船的人過了1年，地球人就過了707萬年。

同樣，在引力越大的坐標系，時間膨脹得越厲害，也就是時間流逝越慢。在《星際穿越》這部科幻影片中，飛船到達一個在黑洞附近的米勒星球，這顆黑洞是太陽質量的1億倍，電影沒有給出距離黑洞視界多遠的距離，但給出宇航員們在那里呆1小時，地球就過去了7年，也就是時間膨脹了6萬多倍。

因此當宇航員庫珀回到地球時，他還是老樣子，而其女兒已經90多歲了。

宇宙中已知最大黑洞SDSS J073739.96+384413.2的質量是太陽的1040億倍，在其附近時間膨脹會有多少呢？給出距離黑洞視界的距離，我們就可以根據公式計算出來。

許多人根本不屑于學習相對論的相關知識，憑著吃喝拉撒的邏輯就否定時間膨脹理論，但不管這些人相信不相信，時間膨脹理論早就應用在科學研究和各種技術應用中。最典型和常用的例子就是導航定位系統(tǒng)，如果沒有對衛(wèi)星和地面時間做出相對論調校，導航就會把你導到爪哇國去了。

那么時間膨脹效應能讓人長壽嗎？

我的回答是NO。

許多網友都有一個誤區(qū)：既然在高速飛船或者大引力場附近，時間流逝變慢，那么在這種坐標系里面生活的人不就長壽了？

其實完全不是這回事。因為在這種坐標系里的人們，感受到的時間還是正常流逝的，一點也沒有變慢。時間1分1秒，1小時1天的感覺與地球上是一樣的。如果我們忽略太空旅行的各種影響因素，比如輻射、失重等等，他們的壽命是沒有任何變化的。

也就是說他們在地球上能活100歲，在飛船里還是只能活100歲。

而實際上，太空旅行的條件遠遠不如地球這么安全，因此在同等醫(yī)療保障條件下，還會大大影響壽命呢。但他們如果回到地球，與地球人的時間流逝來比，則會發(fā)現(xiàn)地球人流逝的時間比他們快?？於嗌?，就要看他們飛船的速度有多快，或他們呆的引力場有多大，時間有多長了。

根據速度時間膨脹公式計算，如果乘坐99.99%光速的飛船，飛了1年回來，地球人就過去了70年；如果乘坐99.999999999999%光速的飛船，到254萬光年的仙女座星系回來，旅行者們只用了0.7年，也就是8個多月時間，而地球已經過去了508萬年。

如果乘坐的飛船很慢，在光速的50%以下，甚至更慢，時間膨脹效應就很小了，影響也就不大了。而現(xiàn)在的飛船速度還只有每秒十幾千米，旅行者時間膨脹效應相對地球生活的人來說，就完全可以忽略不計了。

時間流逝變慢，是全方位的變慢

時間膨脹效應并不是感覺時間變慢了，而是根本沒感覺。所謂尺縮鐘慢效應，可以理解為速度越快，距離就越縮短了，時間就不需要那么多了?？s短了多少呢？這與時間膨脹的倍數是對應的。

比如乘坐99.999999999999%光速的飛船前往254萬光年距離的仙女座星系，時間膨脹了707萬倍，這樣就等于距離縮短了707萬倍，因此254萬光年的路程就只有約0.35光年，來回路程就只有0.7光年了，飛船的速度接近光速，時間當然就只要約0.7年了。

這個計算只是為了說明這個問題的理論值，忽略了加速減速和停留的時間，請勿在此鉆牛角尖。

因此，飛船上的人們不是感覺只過了這么久，而是實實在在只過了這么久。這種時間流逝速度不是表面的，而是骨子里的。從他們的意識感覺和身上每一個細胞，乃至組成細胞的各種原子元素，新陳代謝周期都只是經歷了這個時間的變化。

在重力系統(tǒng)中的時間膨脹效應也是一樣的。

因此，高速旅行者們只是相比在地球相對靜止的人們，只是時間本身“流逝”得更慢而已，而對于他們自己來說，真正的感覺還是過了1天就是1天，沒有感覺到多得到到1點時間。

這有點像我們常說的凍齡，也就是年齡凍住了，或者說把人們雪藏冰凍起來，過了許多年再讓其蘇醒過來，在蘇醒的人們看來，世上已經過去很多年，但這能夠說是冰凍的人長壽了嗎？

未來深空遠航會盡量減少時間膨脹效應

時間膨脹效應是一種客觀存在，是宇宙規(guī)律，帶給宇宙航行的人們并沒有什么好處，反而會增添許多困擾。比如真的有接近光速的飛船，離開地球前往某個星球的人們回來后，親人們都離去了，地球已經是滄海桑田了，這種探索或者旅行有什么意義呢？

因此，未來的深空旅行，提升速度只是一個方面。當速度在光速的50%以下時，時間膨脹效應困擾還不算太大，人們還是可以接受的。但更快的旅程，很可能就不是依靠速度提升了，而是另辟蹊徑。

目前科學界認為有可能突破深空航行速度瓶頸的方法有兩種，即蟲洞穿越和曲速引擎。通俗地說，這兩種方式就是采取鉆隧道、抄近道的跨越方式到達目的地，從總體旅行的距離和時間來看，似乎超越光速多少倍，但實際上并沒有提升速度，因此不受光速藩籬限制，也不會出現(xiàn)什么速度膨脹效應。

現(xiàn)在這些方式還處于科幻階段，未來是否真的能夠實現(xiàn)很難說。這些我以往也多有介紹，有興趣的朋友可以查閱我過去發(fā)表過的相關文章，希望對大家有所幫助。謝謝閱讀，歡迎討論。

時空通訊原創(chuàng)版權，侵權抄襲是不道德的行為，敬請理解合作。