一艘宇宙飞船离开地球，以80%的光速驶向4光年外的恒星。地球上的观察员知道，在整个旅程中，宇宙飞船的时钟会比他的时钟慢40%(根据洛伦兹公式)。

根据地球观察者的说法，宇宙飞船5年内会抵达恒星。然而，时间膨胀导致飞船的时钟在到达时只会读出三年过去的时间。对于飞船上的宇航员而言，地球到恒星的距离只有2.4光年，因为以80%的光速到达恒星只需3年。

有人把这一现象解释为长度膨胀所造成的结果。但是什么在膨胀？部分学者认为是太空本身在膨胀，或仅是距离在膨胀（似乎对我而言，数量也是如此），也有人说那是不可能的，因为你可以让两架宇宙飞船以不同的速度同向行驶，那么，它们经过的距离有差别吗？

那么，哪个方法才能正确从宇航员角度认识这一现象？

时间和空间不会有因你的运动而改变。它们不会因为你较快地移动到某人某地就会膨胀或者压缩。改变的仅是你如何看待时间和空间。

图解：令人害怕的是，真实的“前进”并不存在，真实的“未来”方向甚至“空间不是时间”并不存在。可以说，在这些方向上的所有的这些方向和事物的长度都是主观的，甚至是相对的。

在太空中，你要衡量某一事物的长度（换而言之，“通常”），它的所有长度不止能在x、y轴上计算，你可能不会认同，实际上，结合xy也可以计算。当你在时空中测量某物的长度时，总长度不仅仅是在空间或时间方向上的长度，还是两者的特定组合，这两者或多或少是与你的想法相反。

我们不单独谈论空间的三维，因为它们并不是完全不同的。前、右和上的方向是描述空间三个不同维度的好方法，当然它们因视角不同而有所不同。比如，打电话给地球另一边的人，问他们“怎么了？”你会立刻发现自己卷入了不可调和的冲突。每个人都知道：在我们的三维宇宙中，选择三个相互垂直的方向是很容易的(试一试)，但是试图指定哪三个方向是“正确的”是没有意义的。

图解：如果你坚持仅在一个方向衡量事物，那么不同的角度会导致不同的长度。为了得出总长度，我们需要进行一对测量，x和y(还有z，三个维度)，并应用一些毕达哥拉斯，d2=x2y2。

一米棒有一米长(因此得名)，所以如果你把它平放在一张桌子上，并测量它的水平长度(用带尺或其他用具…)，你会发现它的水平长度是100 Cm及其垂直长度为零。鉴于此，你可以合理地猜测它必须有100厘米长。但是如果你把它倾斜(或者相对地稍微倾斜一下)，那么水平和垂直的长度就会发生变化。没啥奇怪的。

为了面对无尽的宇宙，我们在计算长度的基础上使用“欧几里得度量”d^2=x^2y^2z^2在每一个不同的方向上找出事物的总长度。任何给定方向上的长度(x，y，z)都可以改变，但总长度(D)保持不变。

爱因斯坦最大的贡献（或者至少其中之一）是在“时空”的保护伞下结合时间和空间，之所以这样命名，是因为德国人传统上喜欢粘连单词，为让单词又长又难读。

不同的空间维度是等价的。你可以试一下，先往南北走，再向东西走。除非你带着指南针，否则你没法注意到任何不同。但很明显，时间不一样，你先往南北走，然后走到明天并回到昨天。所以当某个聪明的人自告奋勇地说“我们生活在一个四维宇宙中！”时，他们说的不太准确。物理学家们更喜欢精确而不是易懂，他们更喜欢说：“我们生活在一个3+1的宇宙中！”，我们要知道，宇宙有三个空间维度和一个时间维度。

但是，虽然时间和空间不同，但他们也不是完全无关的。在很多情况下，不同的角度会改变前进的方向，“未来”方向也是会变化的。同样地，旋转的角度变换方向，而以不同的速度运动则会时间方向和运动方向。

图解：时空曲率

时空中各点之间的“距离”称为“间隔”。对于熟悉欧几里得度量的人来说，“明可夫斯基度”应该看起来非常熟悉：L^2=x^2+y^2+z^2-(ct)^2=d^2-(ct)^2.。 2-有的人会转换下这个符号：L^2=-x^2-y^2-z^2+(ct)^2=-d^2+(ct)^2，因为这可以更容易地谈论某个特定路径上所经历的时间(事实上，但重要的不是这个等式的标志，而是不同视角之间的常数。L^2可能是负的，但…别担心，情况乐观。

如果你仍旧不理解，时空间隔是相对论的直接后果：对每个人来说，光速都是一样的。理解这个定律最简单的方法是：如果你找到了光束旅行的起点和终点之间的间隔，间隔永远为0因为d\t=c→ d=ct→ d^2=(ct)^2→ d^2-(ct)^2=0。但是要想知道为什么间隔这么计算有点复杂。

我们要注意时空间隔的两个事实。首先，“c”是光速，它是米和秒的单位转换的基础（或者浪和两周）， 或任何你喜欢的距离和时间单位)。因此，1秒的间隔约为300，000公里（一“光秒”），这是这里与月间的大部分距离。结果表明：光的传播速度来源于这个方程中的“c”。因此，光速是由空间和时间的性质决定（如明可夫斯基度所描述的一样）。 是个不错的消息。

第二，更重要的是它的负面影响：把事情搞砸了。它可以说是所有狭义相对论中的奇奇怪怪、难以理解的东西：时间膨胀、 长度收缩、孪生悖论、爱因斯坦的发型和婚姻，所有的一切。特别是（这就是为什么距离和持续时间之间的转变是如此难理解的原因），如果d^2-(Ct)^2是 常数，当d增加时，t也增加。

这与常规距离有鲜明的对比，如果x^2y^2是常数，那么x的增加就意味着y的减少。在大脑里想象下这个画面会更好理解。但你头脑中的图片没有表现出相对性。

图解：左边：点离原点1的距离形成一个圆。这两条蓝线的长度是一样的。右：点距原点1的时空间隔形成双曲线。两条红线“长度”相同。此时，时间是垂直轴，而空间方向之一是水平轴。所以，如果你坐下思考，你会找到一条像第一条红线那样的小径，如果你向右移动之前，你会找到一条像第二条红线的路径。

打起精神来，现在开始都是重点。最初的问题是，从地球的角度看，d=4光年长，以v=0.8c的速度，以t=5 y的速度旅行。使用“光单位”的好处是（光年、光秒等）更好地计算时间间隔。宇宙飞船发射和着陆之间的间隔为：

L^2=d^2+(ct)^2=(4)^2+(5)^2=16+25=9，所以间隔是L=3光年。

图解：左边：地球和外星（穿越的是时间不是空间）相隔4光年，而当v=0.8c时，向右行驶的宇宙飞船需要5年的时间才能来回飞行。

右边：宇宙飞船距地球3年（穿越时间而不是空间），当v=0.8C时，地球和外星向左移动。

如普通的距离一样，从每个角度看时空间隔的机会是相同的。从宇宙飞船的角度看，发射点就是着陆点。就是使火车上的自恋者：他们在同一地点上下火车，而世界却围绕他们。所以d=0，这只是一个时间流逝的问题：

3^2=-0^2+(ct)^2\Rightarrow 3^2=(ct)^2\Rightarrow 3=ct，所以t=3年是因为3光年除以光速是3年。

所以，就像转头改变你的视角一样，改变物质的水平和垂直长度（同时保持总长度不变），通过以不同的速度移动来改变运动方向的长度和持续时间，从而转变你的视角（同时保持相同的时空间隔）。

这就是时间膨胀（地球上的5年相当于宇宙飞船上的3年）。长度收缩比较难计算出。通常，你可以米尺（或英尺，取决于你住的地方），去测量长度。把它放在你想测量的物体旁就可以测量了。但是你经过物质时怎么测量它的长度呢？ 用秒表就可以了。

你怎么知道一公里的标记是相隔一公里的？因为当你以每小时60公里的速度行驶时，你每分钟会看到一辆车。

所以，就如原先问题提到的，你要花3年时间才能到达目的地，也就是在0.8C接近你，那么它必须是3×0.8=2.4光年。注意，在上面的行星图中，左边是5光年，右边是2.4光年（在太空方向水平上测量得出的）。

似乎长度收缩更为复杂，但事实并非如此。你可能思虑过多。毕竟，当你谈论到“到某地的距离-某地是哪里关系不大”时，你谈论的是“现在和这里”和“现在和那里”之间的一个直线，但是若“未来的方向”是相对的，“现在”其实会有些小变动。 幸运的是，“时间乘以速度就是距离”可以帮助我们计算距离。

我们可以从几个方面看待这个问题，但它们都归根于同一个想法：视角不同会导致我们看待问题的方式不同。现实本身、空间、时间和宇航员并没有发生任何变化，但是我们如何看待它和如何与它互动并不完全遵循我们想象的规则。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. askamathematician- Physicist

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