光速和时间有什么关系？为什么说达到光速时间停止？

Arcman

光速和时间有什么关系？为什么说达到光速时间停止？

2017-06-20
施郁
科学公园

有人提问：光速和时间有什么关系？为什么说达到光速时间停止？

要回答这个问题，我们需要建立参照系的概念。要表明空间中一点的位置，我们需要选一个参照系，或者叫坐标系，比如在3个两两垂直的方向上分别给出相对于原点的距离。可以将坐标系想象成一个虚拟的沿3个方向的标尺。如果坐标系变了，那么这3个距离也变了。所以空间坐标是相对的。但是我们知道两套坐标之间怎么联系，或者说怎么变换的。

                               
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现在我们想象坐标系匀速运动起来。通过运动坐标系的原点相对于静止坐标系的坐标（随时间变化），就可以知道同一个点的两套空间坐标之间的关系。在相对论诞生的时代之前，人们认为，在这两个坐标系中的时间都是一样的。这与日常生活中的经验是一致的。我们在飞机火车上的时间与在地面上的时间是一样的。但是在相对运动的参照系中的速度当然不一样。

后来，通过研究发现，光速在任意参照系都是一样。这是爱因斯坦相对论的前提，也是实验表明的。为了保证这一点，可以推导出，相对运动的坐标系的时间和空间坐标都要有变换了。

对于运动物体来说，它相对于自己的空间坐标保持为零，它自己经历的时间叫做固有时间，比如跑步中的你自己每次心跳的时间，这与光速无关。但是，相对于其它坐标系，比如地面，它的时间就是变化的，与光速有关。

具体公式很简单。我们用a代表物体运动速度除以光速。a的平方不超过1，1减去它是个小于1的数（因为运动速度不能超过光速），开根号仍然小于1，记作b。运动坐标系中的时间就等于固有时间除以b，结果大于固有时间。当运动速度远小于光速时，运动坐标系中的时间几乎与固有时间相等，所以我们通常观察不到二者的差别。另外一方面，运动的速度越接近光速，b就越接近0。一个有限数除以0等于无穷大。所以运动的速度趋向光速时，运动坐标系中的时间就趋向无穷大，通俗地说就是“时间停止”。

来源：头条悟空问答

作者简介

施郁，复旦大学物理学系教授，理论物理和物理学史专家。主持的微信公众号、科学网博客、新浪微博、今日头条号为“物理文化与施郁世界线”。