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若一名宇航员以光速离开地球 ， 在一年之后又以光速返回 ， 根据常理 ， 当宇航员返回地球时 ， 地球上应该已经过去了两年时光 。
不过 ， 如果你知道相对论 ， 那么你就不会这么想了 。 如果从相对论的角度出发 ， 那么那时地球上已经过去了多长时间呢？
光速每秒30万千米 ， 是宇宙中最快的速度 。 根据相对论 ， 有质量的物体被禁止超越光速 ， 那是因为要将它们加速到光速 ， 需要无穷的能量 。 所以说 ， 宇航员和航天器理论上来说只能以接近光速的速度运动 。
而时间是相对的 ， 在不同参考系下就会得出不同的时间 ， 所以飞船上的时间和地球上的时间是不同的 。 时间具有单向性 ， 永远向前流逝 。 而传统观念认为 ， 在时空中每个位置上时间的流逝速度都是相同的 ， 不过高精度实验已经证明 ， 这种观念是错的 。 所以 ， 要想弄明白这个问题 ， 就必须抛掉绝对时空观 。
根据狭义相对论 ， 如果参考系的运动速度越快 ， 那么该参考系下的时间流逝速度就越慢 。 当物体的运动速度达到光速时 ， 时间就已经停止流逝了 。 这种现象被叫做时间膨胀效应 ， 或者叫钟慢效应 。 当参考系的运动速度越趋近光速时 ， 这种效应也就越显著 。 简单来说 ， 就是运动的钟比静止的钟走得慢 。
以接近光速飞行的宇宙飞船 ， 与地球这两个参考系的运动速度明显不同 。 宇宙飞船上的时间流逝速度很慢 ， 那么当宇航员返回地球时 ， 对于宇航员来说 ， 它只经历了两年时间 ， 而对于地球上的人来说 ， 却已经过去了好几年 ， 甚至上百年 。 这真的是“天上一日 ， 地下一年”！
若宇航员全程都以99%的光速运动 ， 两年之后 ， 他返回地球后会发现 ， 地球上的人们已经过了14年 。 如果他有一个双胞胎兄弟 ， 那么他的兄弟此时会比他大12岁 。
如果以99.99%倍的光速运动 ， 两年之后 ， 两者之间的时间差将达到139.4年 ， 真要发生这种情况 ， 恐怕他返回地球时就看不到他的双胞胎兄弟了 。
不过 ， 在实际情况中 ， 宇宙飞船不可能一起步就以99%的光速运动 ， 因为人体承受不了这么大的加速度 ， 所以说宇航员必须要经历一个加速和减速的过程 。 这意味着 ， 宇航员经历两年时间返回地球时 ， 由时间膨胀效应造成的时间差并没有前面说的那么大 。
利用这种现象 ， 我们可以进行时间旅行 ， 只要速度足够快 ， 仅需很短的时间便能穿越到遥远的未来 ， 不过这是一次单趟的旅行 ， 没有后悔药 。
此外 ， 在相对论中 ， 所有参考系都是平权的 ， 而运动也是相对的 ， 宇宙飞船远离地球 ， 也可以看作地球远离宇宙飞船 。 那么 ， 从各自的角度来看 ， 都是自身的时间变慢了 。 那究竟是谁的时间真正变慢了？
其实 ， 之所以出现这个矛盾 ， 是因为我们把它们都当做了惯性参考系 。 由于宇宙飞船在离开和返回地球的过程中经历了加速和减速的过程 ， 那么宇宙飞船就属于非惯性参考系 。 对于非惯性参考系就必须用广义相对论进行处理 。
而在广义相对论中 ， 引力也会导致时间膨胀 ， 引力场越强的地方 ， 时间的流逝速度也就越慢 。
宇宙飞船加速过程中的惯性力等同于引力 ， 因此必须考虑引力导致的时间膨胀效应 。 综合考量下 ， 实际上就是宇宙飞船的时间变慢了 ， 而不是地球 。
【以光速离开地球，一年后以光速返回，那时地球上过去了多久？】即使你觉得这很荒谬 ， 不过事实就是如此 。 无论是在高能粒子加速器中 ， 还是在GPS卫星上 ， 这一理论已经过长期且严格的检验 。全球定位系统依赖精确的时间 ， 由于存在时间膨胀 ， 所以卫星上原子钟的时间每隔一段时间就必须要校准 ， 要不然 ， 每12个小时 ， 定位结果便会有7米左右的偏差 。
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