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，地球上應(yīng)該已經(jīng)過去了兩年時光。
不過，如果你知道相對論，那么你就不會這么想了。如果從相對論的角度出發(fā)，那么那時地球上已經(jīng)過去了多長時間呢？
光速每秒30萬千米，是宇宙中最快的速度。根據(jù)相對論，有質(zhì)量的物體被禁止超越光速，那是因為要將它們加速到光速，需要無窮的能量。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動。
而時間是相對的，在不同參考系下就會得出不同的時間，所以飛船上的時間和地球上的時間是不同的。時間具有單向性，永遠(yuǎn)向前流逝。而傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，在時空中每個位置上時間的流逝速度都是相同的，不過高精度實驗已經(jīng)證明，這種觀念是錯的。所以，要想弄明白這個問題，就必須拋掉絕對時空觀。
根據(jù)狹義相對論，如果參考系的運動速度越快，那么該參考系下的時間流逝速度就越慢。當(dāng)物體的運動速度達(dá)到光速時，時間就已經(jīng)停止流逝了。這種現(xiàn)象被叫做時間膨脹效應(yīng)，或者叫鐘慢效應(yīng)。當(dāng)參考系的運動速度越趨近光速時，這種效應(yīng)也就越顯著。簡單來說，就是運動的鐘比靜止的鐘走得慢。
以接近光速飛行的宇宙飛船，與地球這兩個參考系的運動速度明顯不同。宇宙飛船上的時間流逝速度很慢，那么當(dāng)宇航員返回地球時，對于宇航員來說，它只經(jīng)歷了兩年時間，而對于地球上的人來說，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%的光速運動，兩年之后，他返回地球后會發(fā)現(xiàn)，地球上的人們已經(jīng)過了14年。如果他有一個雙胞胎兄弟，那么他的兄弟此時會比他大12歲。
如果以99.99%倍的光速運動，兩年之后，兩者之間的時間差將達(dá)到139.4年，真要發(fā)生這種情況，恐怕他返回地球時就看不到他的雙胞胎兄弟了。
不過，在實際情況中，宇宙飛船不可能一起步就以99%的光速運動，因為人體承受不了這么大的加速度，所以說宇航員必須要經(jīng)歷一個加速和減速的過程。這意味著，宇航員經(jīng)歷兩年時間返回地球時，由時間膨脹效應(yīng)造成的時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)行時間旅行，只要速度足夠快，僅需很短的時間便能穿越到遙遠(yuǎn)的未來，不過這是一次單趟的旅行，沒有后悔藥。
此外，在相對論中，所有參考系都是平權(quán)的，而運動也是相對的，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，都是自身的時間變慢了。那究竟是誰的時間真正變慢了？
其實，之所以出現(xiàn)這個矛盾，是因為我們把它們都當(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。對于非慣性參考系就必須用廣義相對論進(jìn)行處理。
而在廣義相對論中，引力也會導(dǎo)致時間膨脹，引力場越強的地方，時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)致的時間膨脹效應(yīng)。綜合考量下，實際上就是宇宙飛船的時間變慢了，而不是地球。
即使你覺得這很荒謬，不過事實就是如此。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。 全球定位系統(tǒng)依賴精確的時間，由于存在時間膨脹，所以衛(wèi)星上原子鐘的時間每隔一段時間就必須要校準(zhǔn)，要不然，每12個小時，定位結(jié)果便會有7米左右的偏差。
