运动物体的时间为什么会变慢？

根据爱因斯坦的狭义相对论，运动物体的时间变慢。而这个理论建立在两条原理上：相对性原理和光速不变原理。

相对性原理

在火车上，拉上窗帘，我们就无法判断车在向前还是向后运动。事实上，如果不是火车颠簸，我们根本不知道火车是静止还是运动。火车上的一切现象，都无法帮助我们判断火车如何运动。比如车上水龙头的滴水，并不会因为车向前运动，它就滴在后面。

爱因斯坦根据这类情况提出相对性原理。

相对性原理：物理规律在所有惯性系中都是相同的。

什么是惯性系呢？静止或匀速直线运动的物体都可以当惯性参照系。比如静止或匀速直线运动的火车。

前面所说的并不准确。如果你站在车上，突然向前一个趔趄，你就知道火车突然刹车了。这时火车并不是惯性系，因为它没有保持匀速运动。同样，颠簸的火车也不是惯性系。所以，只有在惯性系中，我们才没有办法判断这个参照系是否运动。

牛顿第一定律符合相对性原理。第一定律说，没有外力作用的物体，总是保持静止或匀速直线运动状态。

而亚里士多德的运动定律则不符合相对性原理。亚氏定律说，在没有外力作用下，运动物体的速度逐渐减慢，直至停下来。

假设一颗子弹相对地面的速度是10米/秒。按亚氏定律，没有外力作用，速度会逐渐变为0。有一辆火车，运动方向和子弹相同，运动速度也是10米/秒，那么这子弹开始时相对于火车静止。而子弹后来相对于地面静止，那对火车来说速度就是10。也就是以火车为参照系，在没外力作用下，子弹从静止到运动，运动得越来越快，最后速度变成10，然后稳定在这个速度上。子弹在火车上遵守的也是亚氏定律，但它的亚氏定律却不同于地面上的亚氏定律，这就违背了相对性原理。

光速不变原理

上面那个例子，子弹的速度是依赖于参照系的。开始于它相对于地面运动，相对于火车静止。而它后来相对于地面静止，相对于火车运动。但光速和子弹的速度不一样，不管相对于什么参照系，它的速度都是c（即每秒30万公理）。这就是光速不变原理。

光速不变原理：相对于所有的参照系，光在真空中的速度都相同。

比如下图，火箭A和火箭B运动方向是相反的，但同一束光，相对于它们的速度却相同。

相对性原理和我们的生活经验相符，而光速不变原理却相反，它严重违反了我们的日常生活经验。但它是有严格的实验基础的，其中最著名的就是1887年的迈克尔逊—莫雷实验。当时人们百思不得其解，提出了种种不同的解释。最终爱因斯坦在1905年提出相对论，才彻底解决了这个问题。

运动物体的时间变慢

从这两条原理可推出：运动物体的时间变慢。

我们用光子钟来测量时间。两面平行的镜子，光在两个镜面来回反射，光的运动方向垂直于镜面，就构成了光子钟。已知光速是c，假设镜子间的距离是l，光从一面镜子到另一面镜子的时间是l/c。我们可以利用光在镜子间来回反射的次数来计时。

我们有两个相同的光子钟，其中一个在地面，另一个在飞船上，镜面和飞船运动方向相同。见下图。

从地面的观察者来说。在地球上光从下面的镜子运动到上面镜子的时间为l/c。飞船上的光从下面运动到上面镜子时，需要的时间更长。因为它到达上面镜子时，镜子已经运动了一段距离，光的运动路线并不垂直于地面，而是倾斜的，它的运动距离更长。而光速不变，所以时间更长。也就是地面上的光子钟的时间已经超过了l/c。

但对飞船上的观察者来说，飞船是静止的，光在镜子中跑一次的时间仍然是l/c。

也就是说，同样一件事，即光从飞船上的镜子到达另一面镜子，飞船上的时间短于地面上的时间。比如飞船上是1秒，地面上是2秒。即飞船上的时间变慢了。

我们可以具体计算出这种时间快慢的变化程度。飞船和光子钟的运动如下图。

对地面上的观察者来说，飞船速度为v，飞船上的光从下面镜子跑到上面镜子，经过了时间t，路程为ct，而飞船运动距离为vt。对飞船上的观察者来说，这段时间为t’，光运动的距离为ct’。

根据勾股定理：(ct’)2+(vt) 2=(ct)2，移项变形得到下面的公式：

进一步的讨论

问题1。从上面的推理得出，运动的时钟变慢。有人可能有疑问，这只是光子钟变慢而与，其他的时钟呢，它们是否还是和原来的节奏相同？光子钟变慢并不奇怪，因为光速本来就特殊。

答案是：所有的时钟在运动时都会变慢。即使用我们的新陈代谢速率做时钟，在运动时，相对于静止的观察者来说，我们新陈代谢也变慢了。这是从相对性原理推出来的。

假设一个时钟，比如石英钟，在静止时和光子钟的计时快慢是一样的。而两者做同样的运动时，光子钟变慢，而石英钟还和原来一样。这时我们就能根据两个时钟的节奏是否相同，来判断它们是静止还是运动。这违背了相对性原理。根据相对性原理，我们无法通过实验来判断观察者是不是运动。

问题2。为什么我们刚才推理只用了两个原理，就能推出所有的时钟都变慢呢？而时钟有很多种，有机械钟，石英钟，光子钟，生物钟等等，涉及各种各样的自然规律。

原因是：相对性原理对一切物理规律做出了限制。任何规律在惯性系中相同，使得其他时钟也和光子钟一样，运动时变慢了。

问题3。为什么光这么特殊呢？

光不特殊，光速c才特殊。一个物体如果运动的速度也是c，那么对所有观察者来说，不管他们如何运动，这物体的相对于他们的速度都是c。如果光的速度不是c，而是可变的，相对论依然成立，c仍然是特殊的，虽然这时它不能称之为光速了。