若一名宇航員以光速離開地球，在一年之后又以光速返回，根據(jù)常理，當(dāng)宇航員返回地球時(shí)，地球上應(yīng)該已經(jīng)過去了兩年時(shí)光。
不過，如果你知道相對(duì)論，那么你就不會(huì)這么想了。如果從相對(duì)論的角度出發(fā)，那么那時(shí)地球上已經(jīng)過去了多長時(shí)間呢？
光速每秒30萬千米，是宇宙中最快的速度。根據(jù)相對(duì)論，有質(zhì)量的物體被禁止超越光速，那是因?yàn)橐獙⑺鼈兗铀俚焦馑伲枰獰o窮的能量。所以說，宇航員和航天器理論上來說只能以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)。
而時(shí)間是相對(duì)的，在不同參考系下就會(huì)得出不同的時(shí)間，所以飛船上的時(shí)間和地球上的時(shí)間是不同的。時(shí)間具有單向性，永遠(yuǎn)向前流逝。而傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，在時(shí)空中每個(gè)位置上時(shí)間的流逝速度都是相同的，不過高精度實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，這種觀念是錯(cuò)的。所以，要想弄明白這個(gè)問題，就必須拋掉絕對(duì)時(shí)空觀。
根據(jù)狹義相對(duì)論，如果參考系的運(yùn)動(dòng)速度越快，那么該參考系下的時(shí)間流逝速度就越慢。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速時(shí)，時(shí)間就已經(jīng)停止流逝了。這種現(xiàn)象被叫做時(shí)間膨脹效應(yīng)，或者叫鐘慢效應(yīng)。當(dāng)參考系的運(yùn)動(dòng)速度越趨近光速時(shí)，這種效應(yīng)也就越顯著。簡單來說，就是運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢。
以接近光速飛行的宇宙飛船，與地球這兩個(gè)參考系的運(yùn)動(dòng)速度明顯不同。宇宙飛船上的時(shí)間流逝速度很慢，那么當(dāng)宇航員返回地球時(shí)，對(duì)于宇航員來說，它只經(jīng)歷了兩年時(shí)間，而對(duì)于地球上的人來說，卻已經(jīng)過去了好幾年，甚至上百年。這真的是“天上一日，地下一年”！
若宇航員全程都以99%的光速運(yùn)動(dòng)，兩年之后，他返回地球后會(huì)發(fā)現(xiàn)，地球上的人們已經(jīng)過了14年。如果他有一個(gè)雙胞胎兄弟，那么他的兄弟此時(shí)會(huì)比他大12歲。
如果以99.99%倍的光速運(yùn)動(dòng)，兩年之后，兩者之間的時(shí)間差將達(dá)到139.4年，真要發(fā)生這種情況，恐怕他返回地球時(shí)就看不到他的雙胞胎兄弟了。
不過，在實(shí)際情況中，宇宙飛船不可能一起步就以99%的光速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槿梭w承受不了這么大的加速度，所以說宇航員必須要經(jīng)歷一個(gè)加速和減速的過程。這意味著，宇航員經(jīng)歷兩年時(shí)間返回地球時(shí)，由時(shí)間膨脹效應(yīng)造成的時(shí)間差并沒有前面說的那么大。
利用這種現(xiàn)象，我們可以進(jìn)行時(shí)間旅行，只要速度足夠快，僅需很短的時(shí)間便能穿越到遙遠(yuǎn)的未來，不過這是一次單趟的旅行，沒有后悔藥。
此外，在相對(duì)論中，所有參考系都是平權(quán)的，而運(yùn)動(dòng)也是相對(duì)的，宇宙飛船遠(yuǎn)離地球，也可以看作地球遠(yuǎn)離宇宙飛船。那么，從各自的角度來看，都是自身的時(shí)間變慢了。那究竟是誰的時(shí)間真正變慢了？
其實(shí)，之所以出現(xiàn)這個(gè)矛盾，是因?yàn)槲覀儼阉鼈兌籍?dāng)做了慣性參考系。由于宇宙飛船在離開和返回地球的過程中經(jīng)歷了加速和減速的過程，那么宇宙飛船就屬于非慣性參考系。對(duì)于非慣性參考系就必須用廣義相對(duì)論進(jìn)行處理。
而在廣義相對(duì)論中，引力也會(huì)導(dǎo)致時(shí)間膨脹，引力場(chǎng)越強(qiáng)的地方，時(shí)間的流逝速度也就越慢。
宇宙飛船加速過程中的慣性力等同于引力，因此必須考慮引力導(dǎo)致的時(shí)間膨脹效應(yīng)。綜合考量下，實(shí)際上就是宇宙飛船的時(shí)間變慢了，而不是地球。
即使你覺得這很荒謬，不過事實(shí)就是如此。無論是在高能粒子加速器中，還是在GPS衛(wèi)星上，這一理論已經(jīng)過長期且嚴(yán)格的檢驗(yàn)。 全球定位系統(tǒng)依賴精確的時(shí)間，由于存在時(shí)間膨脹，所以衛(wèi)星上原子鐘的時(shí)間每隔一段時(shí)間就必須要校準(zhǔn)，要不然，每12個(gè)小時(shí)，定位結(jié)果便會(huì)有7米左右的偏差。
