光速和時間有什麼關係？為什麼說達到光速時間停止？

有人提問：光速和時間有什麼關係？為什麼說達到光速時間停止？

要回答這個問題，我們需要建立參照系的概念。要表明空間中一點的位置，我們需要選一個參照系，或者叫坐標系，比如在3個兩兩垂直的方向上分別給出相對於原點的距離。可以將坐標系想像成一個虛擬的沿3個方向的標尺。如果坐標系變了，那麼這3個距離也變了。所以空間坐標是相對的。但是我們知道兩套坐標之間怎麼聯繫，或者說怎麼變換的。

現在我們想像坐標系勻速運動起來。通過運動坐標系的原點相對於靜止坐標系的坐標（隨時間變化），就可以知道同一個點的兩套空間坐標之間的關係。在相對論誕生的時代之前，人們認為，在這兩個坐標系中的時間都是一樣的。這與日常生活中的經驗是一致的。我們在飛機火車上的時間與在地面上的時間是一樣的。但是在相對運動的參照系中的速度當然不一樣。

後來，通過研究發現，光速在任意參照系都是一樣。這是愛因斯坦相對論的前提，也是實驗表明的。為了保證這一點，可以推導出，相對運動的坐標系的時間和空間坐標都要有變換了。

對於運動物體來說，它相對於自己的空間坐標保持為零，它自己經歷的時間叫做固有時間，比如跑步中的你自己每次心跳的時間，這與光速無關。但是，相對於其它坐標系，比如地面，它的時間就是變化的，與光速有關。

具體公式很簡單。我們用a代表物體運動速度除以光速。a的平方不超過1，1減去它是個小於1的數（因為運動速度不能超過光速），開根號仍然小於1，記作b。運動坐標系中的時間就等於固有時間除以b，結果大於固有時間。當運動速度遠小於光速時，運動坐標系中的時間幾乎與固有時間相等，所以我們通常觀察不到二者的差別。另外一方面，運動的速度越接近光速，b就越接近0。一個有限數除以0等於無窮大。所以運動的速度趨向光速時，運動坐標系中的時間就趨向無窮大，通俗地說就是「時間停止」。

本文得到作者授權

來源：頭條悟空問答

作者簡介

施郁，復旦大學物理學系教授，理論物理和物理學史專家。主持的微信公眾號、科學網博客、新浪微博、今日頭條號為「物理文化與施郁世界線」。

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