2020年5月30日，作为第一家可常规化携带推进器火箭返回地球的私企，美国太空探索技术公司SpaceX成功把宇航员鲍勃•本肯、道格•赫尔利送入太空，这意味着商业化载人航空旅行离我们又近了一步。面对人类科技这么重要的飞越，你有没有想到通过它给你的生活带来什么改变，比如，把你的女朋友变得更年轻？
不是开玩笑，这不但可能，而且还能做到精确控制，想年轻几岁就几岁。我给你讲讲其中的道理。
狭义相对论的“钟慢尺缩”效应听说过吧？如果不了解，可以看看这篇文章《理解狭义相对论，打开神奇新世界》。简单说来，这是爱因斯坦基于“光速不变”假设在1905年发表的著名论文《论动体的电动力学》中的论断：时间和空间在不同参考系中可以互相转换，转换关系遵循洛伦兹变换规则：
爱因斯坦的这个论断已经被现代科学所证实，但对这个公式该怎么理解呢？
图中，左边参考系代表车站站台所在的静止参考系，右边参考系代表火车所在的匀速运动参考系。火车最初位于站台旁，速度为 v ，两个参考系初始时间都是 0。站台上的人“看见”火车在 t 时刻到达距离站台 x 的位置，此时火车上的时钟显示什么时刻？
注意：这里的“看见”不是火车到达 x 位置时的影像传到站台上人眼里的真实看见，而是忽略光速限制的“瞬间可见”，是真正意义上的“同时”。而实际光速是有限的，站台上的人的真实看见要晚于事件发生时刻，所以这里的“看见”是只有上帝才能做到的“看见”，简称为“上帝视角”。
答案：火车上的时钟显示的不是 t ，而是 t' ！
对于火车这样低速运行的交通工具，t 与 t' 之间的差值是相当小的，但对于高速长距离的太空旅行，情况就不一样了。例如，如果宇宙飞船相对地球以 0.6 倍的光速飞行，把 x=vt 代入图中 t' 的公式，有 1 - 0.62 = 0.64，0.64的平方根为 0.8，也就是说 t' 只是 t 的五分之四。因此，地球上的人“看见”飞船上的时间流逝明显变慢了！
你可能要问：“飞船上的时间流逝是真的变慢了，还是只是地球上的人感觉它慢了？” 如果这种“变慢”不能对我们实际生活产生影响，或者无法验证它，说它是真的变慢还是感觉变慢没有意义，但奇妙的地方就在于，这种“变慢”在某些情况下真的可以影响你的生活！
就拿你迫切想把女友变年轻这事来说，你把女友送上宇宙飞船，等到飞船返航，你确实将看到一位比出发时相对你更年轻的女友。
如果不信，我分析给你看。
为方便理解，我画出下图。图中纵坐标是地球上的时间，单位为“年”，飞船飞离地球的初始时刻为 0，横坐标是与地球的距离，单位为“光年”。为方便计算，取飞船速度为 0.6 倍光速 ，飞到 6 光年外的C星球上，停留片刻后以同样的速度返回。问这个过程飞船上的人经历了多少年？地球上的人经历了多少年？
为方便描述，以下所有的“看”使用的都是上帝视角。
计算非常简单，前面已经说了：在飞船飞行时，t' = 0.8t，也就是说地球上的人在飞船飞走后10年，看到飞船抵达C星球（ 6 光年 / 0.6 倍光速 = 10 年），而此时飞船的固有时间只经过了 0.8 * 10 = 8 年，飞船经历时间比地球少两年；飞船停留在星球C上时，由于相对地球速度为 0 ，这段时间飞船固有时间流速与地球相同，因此 t' = t = 4 年；飞船返航时与出发时相同，t' = 0.8t = 8 年，因此飞船经历时间比地球又少两年。把三段时间差相加，飞船上的人经历的时间为 20 年，而地球为 24 年，因此飞船上的人比地球上的人少经历四年。假如这两人是你和你的女友，你们是上学时早恋的同年级同学，本来岁数相同，当女友乘飞船归来后，她确确实实将比你小四岁。
可能眼尖的你已经发现了，这不就是双生子佯谬吗：“飞船相对地球的速度是 0.6 倍光速，我看女友的时间变慢了，反过来，地球相对于飞船的速度也是 0.6 倍光速，她看我的时间也变慢了，为什么最终是她变年轻了，而不是我呢？”
这个问题问得很好！虽然你们俩相对速度一样，但发生过速度变化的只有你女友，她到达C星球再返航时经历了折返过程，而你始终随地球保持惯性运动，因此上图中地球的时空图轨迹是直线，而你女友的时空图是右边折线，正是这个原因导致她经历的时间更少。如果C1时刻飞船没有飞离C星球，而是地球突然加速到 0.6 倍光速向C星球靠近，那么当地球与C星球相遇时，你和女友岁数将相同。然而地球不会改变速度，它一直默默地沿着惯性运动轨迹走着，改变过运动状态的是飞船和你的女友，因此相对更年轻的是你的女友，而不是你。
你接着怀疑道：“飞船不可能瞬间起停，一是科技做不到，二是即使能做到，这么大的加速度足以在起飞降落的瞬间使我女友被自身的体重压死...”
你这个担心是对的。刘慈欣的小说《三体》中有个情节：人类太空舰队遭遇三体人的水滴的毁灭性打击，游离在舰队边缘的一艘人类飞船急速逃离，由于形势紧迫，来不及等船员全部归位就瞬间加速，所有没有回到工位得到保护的船员，瞬间被挤压在舱壁上成了肉泥！
别急，上图只是为了方便分析而做的简化示意图。考虑飞船起飞和降落过程见下图：飞船以每年 0.3 倍光速的加速度从地球上起飞，飞向距离地球 6 光年的C星球；用两年时间达到 0.6 倍光速后保持匀速；快到星球后开始以每年 0.3 倍光速的加速度进行减速，速度降为 0 时正好落在C星球上；然后又开始反向加速，重复来时的逆过程回到地球。
这个过程飞船固有时间的计算比较复杂，简单说，就是对 (1-v2(t))1/2 按时间进行积分。
图中直接给出了结果：当飞船回到地球后，你的女友将比你年轻 3 岁零 8 个月。
我制作了一个小程序《星际航行之地球坐标系》，你可以打开链接，设置 r、v、a （地球与星球距离、飞船稳定速度、飞船加速度），然后点击左边滑动条 t 旁边的播放按钮，小程序将按设定参数进行计算，并通过动图展示。你想让女友比你年轻多少岁？不妨输入参数算一算。
你女友在飞船上“看见”地球上的你是什么样的呢？见下图。
你女友会“看”到你先是比她年轻，但在飞船减速降落C星球再加速起飞的过程中，却发现你的岁数迅速超过她；在飞船返航时，虽然女友“看”到你的岁数增加得比她慢，但由于你之前岁数增加太多，所以直到飞船降落地球，你还是比女友岁数大。
飞船上“看”地球，地球轨迹中有个诡异的“鼓包”，那是飞船减速导致的“尺缩”效应减小与地球持续远离的综合作用；这张图中同水平线上的地球与星球的固有时间存在差值，先是星球比地球早3.6年，后又变为晚3.6年；这些都是基于狭义相对论的正常现象。
点开这个动图的小程序《星际航行之飞船坐标系》，看看在女友眼里你是什么样的吧。
以上所有说的“看到”，都是指上帝视角，不是观察者真实看到的景象，因为实际光的传播需要时间。图1中的红色箭头代表光线的时空轨迹，地球上A时刻发出的光，在C0时刻才能被飞船接收到，D时刻发出的光，飞船在返航途中才会收到。这意味着你们要忍受相思之苦，连煲个电话粥都不可能...
不知你有没有注意，以上说的“年轻”，都是指女友与你相比更年轻，而不是与出发时的她相比更年轻。任何人的时间都只能正向流逝，虽然能改变流速，却不能改变方向。用几年的离别，换取比你更年轻的女友，你是否愿意呢？
大概你心里已经在骂我大忽悠、标题党了。
科学有时给人感觉很无情。
我看到过一个让人心碎的提问：男友去世了，我想要随他去，听说四维时空里我们可以相见，这是真的吗？
很多朋友在下面画时空图，列行列式，告诉题主为什么“不能相见”，隔着屏幕都能感受到朋友们的认真。愿我们能多一些力量，给科学附上一些温情，让题主在接受现实的同时感受到一些温暖和安慰。
感谢阅读，看完说点儿什么吧，点个赞或踩一脚也行！
