上節(jié)課我們說了，當(dāng)牛頓認(rèn)為光速變化的時候,，那時間和空間就是絕對的?，F(xiàn)在我們只要假設(shè)光速絕對，那時間和空間就必須變化,。

首先我們獲得的第一個結(jié)論就是同時性是相對的,，兩個不同運(yùn)動狀態(tài)的觀察者會對兩個事件同時發(fā)生的時刻產(chǎn)生分歧，一個認(rèn)為是同時發(fā)生的,，而一個會認(rèn)為是一個先發(fā)生,，一個后發(fā)生；

由于對事件發(fā)生的時刻產(chǎn)生了分歧,，那自然也會對事件發(fā)生的空間位置產(chǎn)生分歧,。所以時間和空間不再是絕對的了。

它們會隨著觀察者運(yùn)動狀態(tài)的改變而改變,。那么時間和空間如何變化,？這就是我們今天的主題：時間膨脹和空間收縮。

我們先說時間,。

時間這東西你說它存在吧,，但是你又看不見它，更摸不著它,，你說它不存在吧,，但是我們能真切地感受到時間的流逝。

所以一直以來,，我們對時間不好下定義,，只能通過外部事物變化的過程來描述時間，或者是測量時間的流逝,。

比如，一個生物從出生到衰老的過程,，你從家里到公司上班的過程,，這個過程就是時間存在，以及流逝的表現(xiàn),。

但是這些過程不穩(wěn)定,，規(guī)律性不強(qiáng)，所以不能用來測量時間的流逝，因此我們需要找一些規(guī)律性極強(qiáng),，極其穩(wěn)定的自然過程來測量時間,。

人們很快就找到了滿足要求的自然過程，比如,，地球公轉(zhuǎn)一圈,，就是一年，地球自轉(zhuǎn)一圈就是一天,，在此基礎(chǔ)上我們又把一天劃分成了24小時,，3600分鐘，86400秒,。

進(jìn)而我們對秒也做出了非常精確的定義,，即銫-133原子基態(tài)的電子在兩個超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級之間躍遷產(chǎn)生輻射的周期的9192631770倍，為一秒,。

由于原子現(xiàn)象的規(guī)律性更強(qiáng),，按照銫原子鐘的計時，每10億年才會誤差1秒,。有了對時間準(zhǔn)確的測量,，我們才能進(jìn)一步去了解時間。

很早人們就發(fā)現(xiàn)時間不僅是在單向流逝（這一點(diǎn)是正確的）,，而且時間對每位觀察者都是公平的,，不管你身在何處，處在什么狀態(tài),，你時間的流逝速度總是和我一樣,，比如你在銀河系外做太空旅行，我站在地球上,，雖然你我沒有任何聯(lián)系,，但是我會認(rèn)為，我對一秒的測量結(jié)果,，和你是完全一樣的,，你的一秒和我們一秒等長，所以我認(rèn)為你和我共同經(jīng)歷著同樣的時間流逝速度,。

但是當(dāng)愛因斯坦假設(shè)出光速不變的時間,，那么以上時間流逝同速的想法，就要保不住了,。愛因斯坦說,，運(yùn)動狀態(tài)的時間流速會變慢，也就是我們常聽說的時間膨脹,，時間流速變慢,，就意味著你的一秒不在跟我們的一秒等長，而是你的一秒會大于我的一秒。

這到底是不是真的,？回答這個問題很簡單,，我們只需要對不同運(yùn)動狀態(tài)的時間流逝速度進(jìn)行測量，然后對比就清楚了,。

首先我們需要構(gòu)建一個更為精確的計時裝置：光子鐘,，這個裝置非常簡單，上下兩個鏡子,，中間有一個光子,，在兩個鏡子之間來回反彈。

現(xiàn)在我們定義光子來回一次為一秒,，由于光速不變,，兩個鏡子之間的距離又不變，所以這個光子鐘可以說是,，世界上最精確的計時裝置了,，沒有之一。

現(xiàn)在我們把兩個光子鐘分開,，一個放在地球上,，一個放到一艘宇宙飛船上，宇宙飛船相對于地球在做勻速直線運(yùn)動,。

現(xiàn)在地球上的人觀察地球上的光子鐘,，會看到光子在垂直上下振蕩，光子上去再回來為1秒,，當(dāng)我們觀察處在運(yùn)動狀態(tài)的光子鐘的時候發(fā)現(xiàn),，運(yùn)動的光子鐘中的光子走過的路徑不再是垂直上下，而是走出了兩條斜線,。

這一點(diǎn)很容易理解,，如果光子不是再走斜線的話，那光子肯定就跑到光子鐘外面去了,。從飛船的動圖中很容易看到這一點(diǎn),。

如果你理解上以上的所有，也承認(rèn)愛因斯坦光速不變的假設(shè),，那時間膨脹也就顯而易見,，走斜線的光子鐘肯定慢，因?yàn)楣庾铀俣炔蛔?，但是走過的路卻長了很多,。

當(dāng)?shù)孛嫔系墓庾隅娬袷幫暌幻胍院螅谖覀兛磥盹w船上光子鐘中的光子還沒有振蕩完一個來回,，因此在地球上的人看來飛船上的時間要比地球上的慢,，至于慢多少，這跟飛船相對于地球的速度有關(guān),。

利用簡單的勾股定理就能很容易地得出,，地面上經(jīng)過的時間tˊ和飛船上的時間t之間的關(guān)系。這里就不展開了,，直接給出結(jié)果,。

其中1/√1-v2/c2，為相對論因子,，也叫洛倫茲因子,，日常生活中，由于v相對于c非常小,，所以相對論因子基本上就是1,，這樣就變成了tˊ=t，退回到了經(jīng)典的伽利略變換,，認(rèn)為相對運(yùn)動的觀察者時間流逝速度是一樣的,。

不過當(dāng)處理高速問題的時候，相對論因子就不能忽略了,，在空間中運(yùn)行的速度越快,，時間流逝的速度越慢，如果當(dāng)速度變?yōu)楣馑俚臅r候,，時間流逝就會停止,，也就是時間靜止。

像光子這樣的粒子,，在空間中以光速運(yùn)動,，那么時間對于它來說就是靜止的，在光子看來,，談?wù)摃r間沒有任何意義,，不管多長的時間，都是一眨眼的功夫,。

就算是宇宙大爆炸時候誕生的光子到現(xiàn)在,，對于光子來說，大爆炸就像剛剛發(fā)生一樣,。遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光子經(jīng)歷漫長的時間和空間來到地球,，在我們看來這些光子可能已經(jīng)幾十億歲了，但是對于光子來說,，它的誕生到被接收,，只是一瞬間的事。

如果在空間中的運(yùn)動速度超過光速,，很顯然相對論因子就會出現(xiàn)一個虛數(shù)（負(fù)數(shù)的平方根）,，這意味著,，這種情況在現(xiàn)實(shí)中沒有任何物理意義。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是,，超光速并不能讓時間倒流,，而是沒有意義，所以在理論上我們需要禁止超光速的事情發(fā)生,，至于怎么禁止,，愛因斯坦自有妙招，這個我們下節(jié)課在說,。

下面我們接著說空間收縮,，既然我們對時間長短的測量不同，那么我們肯定會對空間長度的測量不同,，這一點(diǎn)也很好理解,，如果只是時間在變化，距離不變化,，就不能保證光速不變這個基本假設(shè)了,。

那么空間距離如何變化呢？這就要提到洛倫茲變換了,，在說洛倫茲變換之前,，我們先看看伽利略坐標(biāo)變換。

現(xiàn)在有一個靜止的慣性參照系S系,，另外一個參照系Sˊ正在以速度V沿X軸方向運(yùn)動,，那么現(xiàn)在問Sˊ系上的坐標(biāo)和S系之間滿足什么樣的數(shù)學(xué)關(guān)系？

沒錯,，這就是伽利略變換,，小學(xué)生都已經(jīng)掌握的數(shù)學(xué)關(guān)系。但是這樣的數(shù)學(xué)關(guān)系,，不再適用光速不變下,，以相對論速度運(yùn)動的物體。

最早,，是洛倫茲老先生發(fā)現(xiàn)電子的運(yùn)動不滿足伽利略變換,，他在1904年的時候，先于愛因斯坦推導(dǎo)出了新的坐標(biāo)變換公式,，稱為洛倫茲變換,。

從新的坐標(biāo)變換中，我們看到了剛才推到出來的相對論因子,，這也是為什么相對論因子叫洛倫茲因子,，因?yàn)槭锹鍌惼澴钤缤瞥鰜淼摹?/p>

其中的關(guān)于時間變化的公式，跟我們剛才看到的略有不同,，原因是剛才時間公式中時間是時長（Δt）,，也就是兩個坐標(biāo)系相對運(yùn)動,，時長之間的關(guān)系，而洛倫茲變化中的時間代表的是坐標(biāo)軸上的時刻,，也就是兩個坐標(biāo)系相對運(yùn)動,，時刻之間的變換關(guān)系。

你會發(fā)現(xiàn),，當(dāng)你把兩個時刻的變換公式相減的時候，就會得出剛才我們推出來的時長公式,。

同樣的,，我們用洛倫茲變換中關(guān)于兩個參考系之間坐標(biāo)的變化公式，也能算出了長度之間關(guān)系,。

只需要簡單的把兩個變換出來的兩個坐標(biāo)相減就可以了,。

這個計算非常簡單，這里就不展開了,，直接給出結(jié)果,。

可以看出，不管v是多少,，√1-v2/c2總是小于1,，因此只要運(yùn)動，長度就會收縮,，當(dāng)然v越大,，收縮得越厲害，當(dāng)v達(dá)到光速的時候,，長度會收縮到一個點(diǎn),。

因此對于光速運(yùn)動的光子來說，它也沒有距離的概念,，任何距離對它來說都壓縮到了一個點(diǎn)上,，由于它也沒有時間的概念，因此光子去往任何地方不會覺得自己在空間中旅行,，也沒有覺得自己花費(fèi)任何時間,。

如果速度超過光速，我們又會遇到虛數(shù)問題,，你不能說超過光速以后,，空間會發(fā)生什么，因?yàn)樘摂?shù)沒有現(xiàn)實(shí)意義,。

因此當(dāng)愛因斯坦得出時間膨脹效應(yīng)和尺縮效應(yīng)的時候,，也發(fā)現(xiàn)了超光速的難題，所以它必須解決這個問題,。

這就是我們下節(jié)課的內(nèi)容,，為什么光速是信息傳遞速度的極限,，或者說為什么物體的運(yùn)動速度不能超過光速。