科学通俗解答：相对论时间膨胀效应是什么，能够让人长生不老吗？

昨天，我发了一篇介绍引力透镜效应的文章，其核心内容是通过引力透镜效应，人们可以直观地看到质量对时空的扭曲，证明爱因斯坦的时空扭曲理论是真实存在的，是正确的。

有些朋友看了文章后，似乎终于同意了空间是可以弯曲的，但又提出了疑问：空间弯曲了，为啥就一定要带上“时空”二字呢？这与时间有毛线关系啊？其实，在我过去的许多文章，对于时间膨胀的效应已多有阐述，如果看过这些文章的，就不会这么问了。

何谓时间膨胀

时空弯曲理论和时间膨胀理论都是爱因斯坦相对论的内容。在狭义相对论中，爱因斯坦主要阐明了速度和时间的关系，一般叫做速度时间膨胀问题；而在广义相对论中，着重说明时间与空间弯曲的关系，也就是引力时间膨胀的问题。

爱因斯坦相对论的核心内容就是阐述时间、空间和物质三者关系的，通过一系列详实的数理逻辑论证，认为时间、空间、物质是三位一体的，论证了在不同坐标系中，时空具有相对性，这从根本上颠覆了经典物理学的绝对时空观。

论证过程很复杂，这里就不说了。结论很简单，就是在不同速度和不同引力场中，时间会膨胀，通俗明白点说，就是速度越快的坐标系中，会有尺缩钟慢效应，距离会缩得越缩短，时间流逝会越慢；而在引力越大的坐标系里，时间就会流逝得越慢。

但有两个天花板：光速和黑洞史瓦西半径里面，是时间和空间的终点。当物体运动达到光速时，或者进入时空曲率无限大（引力无限大）的黑洞视界以内时，空间为零，时间将停止。

但光速使我们世界的天花板，凡有静止质量的物体都无法达到，更无法突破，这是因为质增效应。当物体趋于接近光速时，其动能和质量将会变得无限大。这就是说，即便是1个基本粒子，如果要达到光速，其所需能量和达到的动量也将无限大。

而我们宇宙也是有限的，也就是说，不可能有无限的能量来推动一个有静止质量的物体达到光速，而达到光速这个粒子的动量将超过宇宙质量，这本来就是个悖论。这个问题我过去已经解释过多次，今天就不展开说了。

现在我们只通过两个时间膨胀公式，来说说时间与速度和空间的关系。

两个时间膨胀公式的意义

狭义相对论给出的速度时间膨胀公式为：t'=t/√[1-(v/c)²]

式中，t'是速度时间膨胀效应值；t是低速系观测者第一个时钟时间记录；v是第二个时钟相对第一个时钟的移动速度；c为光速。

广义相对论给出的引力时间膨胀计算公式为：t'=tx√(1-2GM/rc²)

式中，t'为引力时间膨胀效应值；t为低引力惯性系观测者时间流逝值；G为引力常数，取值6.67x10^-11N·m²/kg²；M为天体质量；r为天体半径；c为光速。

期间的推导过程很复杂，就留给那些质疑相对论的“高手”们去挑刺用吧，我们科普就没必要了解那么高深了。

根据速度时间膨胀效应公式计算，当一个物体运动速度达到光速的一半，也就是每秒约15万千米时，时间膨胀会达到1.15倍，也就是会慢15%，这样飞船里的人过了1年，地球人就过了1.15年。

而达到光速的99%时，时间膨胀效应会达到7倍，也就是飞船里的人过了1年，地球上的人过去了7年；而光速达到99.999999999999%时，时间会膨胀707万倍，飞船的人过了1年，地球人就过了707万年。

同样，在引力越大的坐标系，时间膨胀得越厉害，也就是时间流逝越慢。在《星际穿越》这部科幻影片中，飞船到达一个在黑洞附近的米勒星球，这颗黑洞是太阳质量的1亿倍，电影没有给出距离黑洞视界多远的距离，但给出宇航员们在那里呆1小时，地球就过去了7年，也就是时间膨胀了6万多倍。

因此当宇航员库珀回到地球时，他还是老样子，而其女儿已经90多岁了。

宇宙中已知最大黑洞SDSS J073739.96+384413.2的质量是太阳的1040亿倍，在其附近时间膨胀会有多少呢？给出距离黑洞视界的距离，我们就可以根据公式计算出来。

许多人根本不屑于学习相对论的相关知识，凭着吃喝拉撒的逻辑就否定时间膨胀理论，但不管这些人相信不相信，时间膨胀理论早就应用在科学研究和各种技术应用中。最典型和常用的例子就是导航定位系统，如果没有对卫星和地面时间做出相对论调校，导航就会把你导到爪哇国去了。

那么时间膨胀效应能让人长寿吗？

我的回答是NO。

许多网友都有一个误区：既然在高速飞船或者大引力场附近，时间流逝变慢，那么在这种坐标系里面生活的人不就长寿了？

其实完全不是这回事。因为在这种坐标系里的人们，感受到的时间还是正常流逝的，一点也没有变慢。时间1分1秒，1小时1天的感觉与地球上是一样的。如果我们忽略太空旅行的各种影响因素，比如辐射、失重等等，他们的寿命是没有任何变化的。

也就是说他们在地球上能活100岁，在飞船里还是只能活100岁。

而实际上，太空旅行的条件远远不如地球这么安全，因此在同等医疗保障条件下，还会大大影响寿命呢。但他们如果回到地球，与地球人的时间流逝来比，则会发现地球人流逝的时间比他们快。快多少，就要看他们飞船的速度有多快，或他们呆的引力场有多大，时间有多长了。

根据速度时间膨胀公式计算，如果乘坐99.99%光速的飞船，飞了1年回来，地球人就过去了70年；如果乘坐99.999999999999%光速的飞船，到254万光年的仙女座星系回来，旅行者们只用了0.7年，也就是8个多月时间，而地球已经过去了508万年。

如果乘坐的飞船很慢，在光速的50%以下，甚至更慢，时间膨胀效应就很小了，影响也就不大了。而现在的飞船速度还只有每秒十几千米，旅行者时间膨胀效应相对地球生活的人来说，就完全可以忽略不计了。

时间流逝变慢，是全方位的变慢

时间膨胀效应并不是感觉时间变慢了，而是根本没感觉。所谓尺缩钟慢效应，可以理解为速度越快，距离就越缩短了，时间就不需要那么多了。缩短了多少呢？这与时间膨胀的倍数是对应的。

比如乘坐99.999999999999%光速的飞船前往254万光年距离的仙女座星系，时间膨胀了707万倍，这样就等于距离缩短了707万倍，因此254万光年的路程就只有约0.35光年，来回路程就只有0.7光年了，飞船的速度接近光速，时间当然就只要约0.7年了。

这个计算只是为了说明这个问题的理论值，忽略了加速减速和停留的时间，请勿在此钻牛角尖。

因此，飞船上的人们不是感觉只过了这么久，而是实实在在只过了这么久。这种时间流逝速度不是表面的，而是骨子里的。从他们的意识感觉和身上每一个细胞，乃至组成细胞的各种原子元素，新陈代谢周期都只是经历了这个时间的变化。

在重力系统中的时间膨胀效应也是一样的。

因此，高速旅行者们只是相比在地球相对静止的人们，只是时间本身“流逝”得更慢而已，而对于他们自己来说，真正的感觉还是过了1天就是1天，没有感觉到多得到到1点时间。

这有点像我们常说的冻龄，也就是年龄冻住了，或者说把人们雪藏冰冻起来，过了许多年再让其苏醒过来，在苏醒的人们看来，世上已经过去很多年，但这能够说是冰冻的人长寿了吗？

未来深空远航会尽量减少时间膨胀效应

时间膨胀效应是一种客观存在，是宇宙规律，带给宇宙航行的人们并没有什么好处，反而会增添许多困扰。比如真的有接近光速的飞船，离开地球前往某个星球的人们回来后，亲人们都离去了，地球已经是沧海桑田了，这种探索或者旅行有什么意义呢？

因此，未来的深空旅行，提升速度只是一个方面。当速度在光速的50%以下时，时间膨胀效应困扰还不算太大，人们还是可以接受的。但更快的旅程，很可能就不是依靠速度提升了，而是另辟蹊径。

目前科学界认为有可能突破深空航行速度瓶颈的方法有两种，即虫洞穿越和曲速引擎。通俗地说，这两种方式就是采取钻隧道、抄近道的跨越方式到达目的地，从总体旅行的距离和时间来看，似乎超越光速多少倍，但实际上并没有提升速度，因此不受光速藩篱限制，也不会出现什么速度膨胀效应。

现在这些方式还处于科幻阶段，未来是否真的能够实现很难说。这些我以往也多有介绍，有兴趣的朋友可以查阅我过去发表过的相关文章，希望对大家有所帮助。谢谢阅读，欢迎讨论。

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