【极快篇 | 第一章：狭义相对论】03 钟慢效应：速度越快，时间越慢

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在中国古代的神话体系中，有“天上方一日，人间已千年”的说法，天上一天等于人间一千年。其实，如果考虑相对论效应的话，这完全是可能的，只要天上的神仙们运动得足够快就可以了。运动速度越快，时间流逝的速度就越慢，这种现象叫做钟慢效应。

1. 钟慢效应的推导

第一部分先来看看，理论上这个效应是怎么推出来的？同样是依靠思维实验。

1.1 火车上开地灯

假设有一辆火车正在行驶，爱因斯坦站在火车里一动不动。车的地板上有一盏灯，爱因斯坦可以控制手里的开关，让地板上的灯向上打出一束光。然后火车顶上有一面反光镜，刚好可以把光反射下来，被一个紧挨着灯的接收器接住。爱因斯坦手上还有一个计时器，当光射出的时候，它会按动计时器，然后等光反射回来被接收器收到的时候，爱因斯坦会再按一次计时器。这样的话，计时器显示的时间，就是光从射出再被反弹回来，最后被接收器收到的时间。

与此同时，火车向前运行。而地面上还有一个观察者普朗克，普朗克是站在地面上不动，他也要测量光从射出到被接收器接住所用的时间。

我们的目标是去比较一下，同一件事情，也就是光从射出到被接收，在两个不同的观察者看来，所用的时间是不是一样的？

牛顿会告诉你，这两个时间肯定是一样的。但是现在有了光速不变原理，这两个时间真的是一样吗？

首先，对于爱因斯坦来说问题很简单，他测量到的时间，就等于车厢的高度乘以2再除以光速。因为一来一回，光走过的距离是车厢高度的两倍。

1.2 地面上的观察者

再来看看地面上的普朗克。由于在光传播的过程中，火车已经在往前走了，所以对于地面上的普朗克来说，车顶的反光镜，已经前进了一段距离，所以普朗克看到的光走过的距离，是两条直角三角形的斜边。很显然，直角三角形的斜边是大于直角边的，也就是车厢的高度。

虽然普朗克看到的光从发出到被接收的整个过程，跟火车上的爱因斯坦看到的是一样的，对应于同一个事件的开始和结束。但是很明显，对于普朗克来说，它看到的光走过的路程要比爱因斯坦看到的长。而根据光速不变原理，普朗克看到的光的速度跟爱因斯坦看到的却是一样的，都是每秒30万公里。

由于时间等于路程除以速度，对于光从发出到被接收这件事，普朗克观察到的时间就要比爱因斯坦观察到的时间要长。如果普朗克可以看到爱因斯坦的手表，他就会发现爱因斯坦的手表比自己的手表走字慢，这就是钟慢效应。也可以换一种说法：对于地面上的人来说，火车上的人的时间膨胀了。

所以“天上方一日，人间已千年”是完全有可能的，只要天上的神仙运动的速度非常快，理论上确实可以做到这个效果。那天上的神仙要运动多快呢？根据计算，他们的运动速度必须达到光速的99.9999999996247%，才能有这个效果。

2. 如何理解钟慢效应？

第二部分，我们来看看如何理解钟慢效应。

2.1 自己不觉得慢，别人看你慢

初步掌握了钟慢效应之后，我们来看看具体怎么来理解钟慢效应。有一个关键点要牢记，钟慢效应是指当你处于高速运动的过程中，别人看你的钟走得慢了，而不是你自己看自己的钟也走得慢。

比如你吃一顿饭大概要半个小时。这个时候你坐上一艘宇宙飞船，就算宇宙飞船运动的速度非常快，以接近光速在运动，你在这艘宇宙飞船上吃一顿饭，对你自己来说，大概还是需要半个小时。不管你以什么样的速度运动，只要是匀速，都不会影响你吃饭的感受。

只不过这个时候，如果地面上有人在观察你吃饭，对于他来说，你吃饭的过程就像电影里的慢动作镜头，你的动作变得非常缓慢。最终效果是，等你坐着宇宙飞船吃完一顿饭回来，你地球上的亲戚朋友可能已经老了十岁了。

钟慢效应，指的是不同的参考系，在有相对运动的时候，它们对于同一件事情的时间快慢，感受是不一样的。而自己对于自己参考系里面发生的事件，时间快慢不会有任何变化，这才是对钟慢效应的正确理解。

3. 钟慢效应的证据

第三部分，我们来看看钟慢效应的实验证据。

3.1 宇宙射线中粒子的衰变

钟慢效应听上去非常神奇，但是要明显看到时间变慢的效果，需要运动速度非常接近光速。很显然，在现实世界中，宏观物体根本没有办法加速到如此快的速度。但是在微观世界，钟慢效应已经得到了证明。在粒子物理领域，科学家们对宇宙射线的研究，已经充分的证明了钟慢效应的存在。

宇宙射线中有各种各样的粒子，这些射线在射向地球的过程中，是以接近光速的速度运动的。射线中的粒子在进入大气层以后都会经历衰变，衰变成其它粒子。根据理论的计算，很多粒子的衰变周期，或者说它的寿命，是非常短的。如果我们用它的寿命乘以它的运动速度，就能算出这种粒子在衰变前能够经过的距离。结果发现，这个距离远远小于大气层的厚度。也就是，如果这些粒子的寿命真的这么短的话，它们是无法到达地面，被人类的实验仪器探测到的。

3.2 钟慢效应要如何解释？

但事实并非如此，我们通过实验手段，探测到了很多宇宙射线中的粒子，这个事实本身就可以用来验证钟慢效应。因为对于地球上的观察者来说，宇宙射线中的粒子运动的速度非常快，所以它的时间是会膨胀的。可能原来一个粒子的寿命只有1秒钟，但只要它的速度够快，它的寿命在地球上的人和实验仪器看来，可能有10秒、100秒。这样的话，这些粒子就有充足的时间可以到达地球表面，钟慢效应就得到了验证。

运动起来的物体，它的时间流逝会变慢，这是相对论效应的第一个展现。它的道理十分简单，完全是通过光速不变原理推导出来的。所以理论上，飞机上的飞行员和空乘人员整天在空中飞，他们的时间流速就要比地面上的人慢一些，也就是他们要比地面上的人年轻一些。只不过这种时间膨胀的效应微乎其微，可以完全忽略。

根据计算，我们假设一位空乘人员工作二十年，一天工作八小时，等他的整个飞行生涯完成后，算下来他会比地面上的人年轻大约0.00006秒。所以尽管相对论这么反常识，但是我们平时的运动速度都太慢了，相对论的效果日常生活中，小到几乎可以忽略。