PART TWO 狭义相对论的世界

之前介绍了在以接近光速飞行的宇宙飞船中，时间流动会变慢，而时间变慢的计算公式为t=t。*(1-(v/c)^2)^(1/2)其中，t。是静止的观察着所经过的时间，v为运动着的观察着的运动速度，c为光速。这就表明，“速度越快，时间流动越慢”。
即，以接近光速的速度作宇宙旅行时，无论多远的天体，都可以在短时间内到达。

距地球最近的恒星是人马座α（南门二），它由A,B,C三颗恒星构成，其中B即“人马座α星B”，人们已经知道它有行星环绕。考虑一下，如果要去它那里，飞船速度要有多大？又要花费多少时间（宇宙飞船内的时间）呢？
人马座α星B到地球的距离实际是约4.3光年，为简化计算，姑且认为它是4光年，也就是说，以光的速度运动，也要花费4年。

假定宇宙飞船以光速的80%（每秒24万公里）的速度飞行，地球上过了1秒，宇宙飞船内只过了0.6秒。那么，从地球上看，宇宙飞船要花费5年才能到达。但是从飞船里来看，只要3年就可到达（5年*0.6）。
那么如果飞船再快点，到达了光速的98%，又会如何呢？在这个情况下，地球上过了1秒，飞船内只过了0.2秒。从地球上看，飞船要花费4.08年的时间，但在飞船内部来看，只用了不到一年的时间。（4.08年*0.2=0.816年，大约是298天）

考虑一下极端的情况，飞船以光速的99.999999%的速度运动时，其内部时间将会变慢为地球上的0.014%，在地球上看，飞船花费4年的时间到达，而在飞船内部来看，只过了0.00056年（4年*0.00014，约4.9小时）就能到达。
快达到光速时，时间几乎停止。越来越接近光速以后，100万光年也好，一亿光年外的某处也好，飞船内只过了非常短的时间就能到达，这在原理上是可行的。
宇宙飞船内和平时一样，什么感觉都没有。飞船内时间变慢是针对地球的观察者而言，飞船内的时钟，人的运动，甚至所有分子的运动都变得迟缓。如果观察者就是在宇宙飞船内，那么他的感觉和在地球上的感觉没有什么区别。因此，在宇宙飞船内生活十年，年龄同样会增加10岁。

如果光速不变，你的现在未必是我的现在。
在相对论中，“现在、过去、将来”这种常识性的观念也会被颠覆。根据光速不变原理来思考，“我的现在”和“你的现在”可能是不同的。

设想地面上有一光源，从光源发出的光可以向左右两个方向传播，在与光源等距的左右两边个设置一块屏幕。现在让我们看看，静止到地面上的A，与坐在向右行驶的列车中的B，他们分别看到了什么。为了简化计算，假设光源到左右两边的屏幕的距离都是30万公里，而电车的速度是每秒10万公里。

首先，以A的视角来观察，他看到的景象是这样的：从光源发出的光向左与向右的传播速度是一样的，都是每秒30万公里，地面上的时钟走过一秒之后，光同时到达左右两块屏幕。
那么，同样的事，在B看来又是怎样的呢？根据光速不变原理，B看到的，也是光向两边的传播速度都是每秒30万公里。但是因为列车向右行驶，所以B看到的地面上的光源和屏幕是向左运动的。右边的屏幕迎向光，左边的屏幕远离光，结果是光先到达右边的屏幕，后到达左边的屏幕。

什么是过去、现在、将来？它们都随着观察着的立场改变而改变。这是一个非常不可思议的状况，但在B看来，光到达左右两块屏幕是先后发生的事情。B看到光到达右面屏幕的瞬间，是在光到达左侧屏幕之前（未来）发生的事。同样，光到达左侧屏幕的瞬间是在光到达右侧屏幕之后（过去）发生的事情。
对于A、B这两个人，过去现在将来时混乱的。根据狭义相对论的原理，无论A的结论还是B的结论都是正确的。过去现在未来？它们都是随着观察者的不同而改变的。这是一个非常不可思议的结果，但也是狭义相对论的结论。

PART THREE 广义相对论的世界

爱因斯坦在完善了狭义相对论之后，把他的理论与引力联系了起来。
在此之前，引力是由艾萨克·牛顿解释的。这个理论认为，引力是瞬间传递的，速度无限大。显然这个是违反了从光速不变原理导出的结论，即：光速是自然界中最高速度。

因此，爱因斯坦修正了引力理论。使之与相对论不矛盾。但是，由此构建的“广义相对论”，却导出了一个令人惊讶的结论，就是“光也会受引力的影响而发生弯曲”。天文观测者已经证实，光确实会受天体的引力影响而发生弯曲。
汽车转弯时，内侧轮胎的转动速度比外侧轮胎的转动速度小。同样的道理，光是弯曲的，似乎意味着是因为靠近天体一边的光的速度变慢造成的。这不就违反光速不变原理了么？

我们知道，速度公式是“速度=位移÷时间”计算得到的。因此，靠近天体侧的光的传播距离变短之后，只要相应的时间变短就可以保证光速不变了。其实，靠近天体的地方不是光速变慢了，而是时间流动变慢了。根据广义相对论，引力场越强的地方，时间流动也会越慢。
在天体附近时间变慢，从远处来看，好像是光速变慢了。但是到天体附近来看，光速不变原理依旧成立，光速并没有改变。反过来说，在受引力影响的空间里，光速不变原理只限在观测者眼前适用。

让我们来看看，不同天体时间变慢的幅度有多大。我们生活在地球上，这里的时间流逝要比在附近没有天体的宇宙空间里慢，虽然这是微乎其微的。
反之，离开地球越远，引力越弱，时间流动越快。例如，在高度为643米的日本东京电视塔的顶端，时间流逝要比在地表处快大约7*10^(-14)倍，也就是说，每过45万年会快出一秒。
太阳的质量约为地球的33万倍，半径为地球的109倍。在太阳表面，引力要比地球强，所以时间流动会比在地球上慢大约2*10^(-6)倍。也就是说，每过6天会快出一秒。
这么说来，在地球或是其他身边的天体上，时间流动的差异是微乎其微的。在地球上，通常看不到光弯曲的情况，这也可以说是“地球的引力太小，因而使时间变慢的成度也非常小”的缘故。

但是在宇宙空间中，存在着能使光大幅弯曲、时间大幅减慢的星体，它们就是“中子星”或“黑洞”。
中子星是指主要由中子构成的天体。中子是不带点电的粒子，它和带有正电的质子构成原子核。在典型的中子星（半径为10公里左右，质量和太阳差不多），时间流动的速度是地球的4/5。也就是说，在地球上过了5年，在中子星上只过了4年。
最极端的是黑洞。在光被大幅弯曲甚至被吞噬的黑洞表面，时间是完全停止的。它能使光大幅弯曲，甚至能吞噬光。在黑洞表面（视界）倍吞噬的光，永远不可能再逃逸出来。
在距离黑洞中心约1.3倍黑洞半径处（视界半径）的地方，时间的流逝速度是地球表面的1/2左右。也就是说，在地球上过了两年，在这里仅过了1年。
越接近黑洞的表面，时间流动越慢，到达黑洞表面时，时间就会完全停滞。（正确的说，从远处看黑洞的表面，观测不到任何活动进行的迹象）
也就是说，不管在地球上过了多少年，黑洞表面上，连一秒都没过。