爱因斯坦意识到时间是相对的，对不同的人来说，时间流逝的速度不同。
时间膨胀指的是时间是相对的，不同的观察者通过不同的速度，取决于某些因素。
时间膨胀指的是一个看似奇怪的事实，即不同的观测者的时间流逝速度不同，这取决于他们在引力场中的相对运动或位置。
这是它的工作原理。时间是相对的。这听起来有悖直觉，但它是爱因斯坦相对论的结果。在日常生活中，我们习惯于速度是相对的—例如，一辆相对于静止观察者来说以60英里/小时(97公里/小时)的速度行驶的汽车，会被一个以相同速度朝相反方向行驶的司机视为以120英里/小时(193公里/小时)的速度行驶。
同样的现象也会影响时间。根据一个观察者的相对运动或他们在引力场中的位置，这个观察者将会以不同于另一个观察者的速度经历时间的流逝。这种被称为时间膨胀的效应，只有在特定的条件下才会被发现，尽管在较低的水平上，我们一直受到它的影响。让我们仔细看看时间膨胀理论和它的一些后果，包括GPS误差和著名的孪生悖论。
时间膨胀定义
时间膨胀是指一个观察者相对于另一个观察者所感知到的时间变慢，这取决于他们在引力场中的相对运动或位置。这是爱因斯坦相对论的结果，在相对论中，时间并不像它看起来那样绝对; 在不同的参照系中，它通过的速度是不同的。
已故的密歇根州立大学物理学教授乔恩·彭普林表示，爱因斯坦的出发点是，无论观察者自身的运动如何，光总是具有相同的测量速度。这个看似无害的假设不可避免地导致“移动的钟走得慢”的结论。这个短语经常被用来描述时间膨胀，但它有点误导人，因为它把重点放在了时钟上，只有当我们用它们来测量时间时，它们才有意义。但我们确实应该把时间膨胀看作是“关于空间和时间的一个意想不到的真理，而不是时钟的属性，”彭普林说。
时间膨胀和光的速度
相对论分为狭义相对论和广义相对论两部分，两者都具有时间膨胀的特征。光速对所有观察者都是相同的原理在狭义相对论中起着关键作用。波士顿大学物理学家安德鲁·达菲表示，其结果之一是，两个相对于对方以恒定速度运动的观察者在同一事件之间测量的时间不同。但这种效应只有在速度接近光速(通常用c表示)时才显得明显。
想象一下，一艘宇宙飞船以光速的95%飞行到9.5光年外的一颗行星上。一个在地球上的静止观测者将测量旅行时间为距离除以速度，或9.5/0.95 = 10年。而飞船上的宇航员则经历了时间膨胀，因此他们认为这次旅行只花了3.12年。换句话说，在离开地球和到达目的地之间，宇航员的用了3年时间，而在地球上的人已经过去了10年。
虽然这种惊人的情况需要极高的速度，但对于任何一种相对运动来说，时间膨胀都发生在一个较小的尺度上。例如，根据《如何建造时间机器》，一个每周飞越大西洋的定期乘客在40年后所经历的时间会比一个不旅行的人少千分之一秒。这本书还解释了在现实世界中，至少在被称为介子的短寿命基本粒子中，如何能够以这种速度实现更令人印象深刻的时间膨胀。它们是宇宙射线撞击地球上层大气时产生的，它们可以以接近光速的速度传播。介子是如此不稳定，它们不应该持续足够长的时间到达地球表面，但它们中的许多都做到了。这是因为时间膨胀可以将他们的寿命延长到原来的5倍。
时间膨胀和重力
在他提出狭义相对论十年后，爱因斯坦扩展了他的理论，将引力效应纳入广义相对论。但在这个理论中，时间膨胀并不取决于运动的速度，而是取决于局部引力场的强度。我们已经生活在地球表面的中等重力场中，所以事实证明，我们受到时间膨胀的影响，却没有意识到这一点。此外，当我们在地球磁场内上下移动时，这种效应的强度也会发生变化。
高层建筑顶层的重力比底层稍弱，所以时间膨胀效应越高越弱。你离地球表面越远，时间过得越快。尽管这种影响太小，人类的感官无法探测到，但不同高度之间的时间差可以用非常精确的时钟测量出来。
为了看到引力时间膨胀的更生动的例子，我们需要找到一个引力比地球大得多的地方，比如黑洞周围的邻居。美国国家航空航天局曾考虑过，如果把一个时钟放在距离与太阳质量相同的黑洞6英里(10公里)的轨道上会发生什么。事实证明，当从安全距离的望远镜观察时，这个时钟需要大约1小时10分钟才能显示出1小时的差异。
时间膨胀方程
爱因斯坦最初的时间膨胀方程是以狭义相对论为基础的。这个方程乍一看令人生畏，但如果我们有一个科学计算器，一步一步地计算这个公式，就不难了。首先，取移动物体的速度v除以光速c，然后平方。这应该会得到一个0到1之间的数。从1中减去这个，然后取平方根;然后将结果倒过来。你会得到一个大于1的数，它是一个静止的观察者测量的时间间隔与运动的观察者测量的时间间隔之比。
空间中的时间膨胀
时间膨胀与航天器有双重关系，这是由于它们的高速和它们所经历的不断变化的引力场。2020年，英国莱斯特大学的一群学生计算出了NASA旅行者1号探测器在1977年发射后的43年里的时间膨胀效应。狭义相对论预测旅行者的年龄比我们在地球上的年龄小2.2秒。但广义相对论在一定程度上抵消了这一点。我们感受到的重力比航天器更强，所以从这个意义上说，探测器比我们的寿命长1秒左右。结合这两种效应，旅行者仍然比地球人年轻，但只比地球人年轻1.2秒。
像这样的计算可能看起来很无聊，但在精确时间至关重要的情况下，它们可能非常重要。以用于导航的GPS卫星为例，几纳秒(十亿分之一秒)的计时误差可能导致数百米的定位误差，如果你试图精确定位一个特定的地址，这显然是不可接受的。为了达到预期的精度，GPS系统必须考虑到时间膨胀，这可以达到每天38微秒(百万分之一秒)。在旅行者号的例子中，狭义相对论和广义相对论都对这个数字有贡献，其中45微秒来自重力时间膨胀，负7微秒来自速度相关效应。
孪生悖论
时间膨胀最令人费解的结果之一就是所谓的孪生悖论。在这个思想实验中，一个同卵双胞胎生活在地球上，而双胎中的另一个以接近光速的速度往返于一个遥远的恒星。当他们再次相遇时，旅行的那个双胞胎（多亏了狭义相对论的时间膨胀）比呆在地球上的那个年轻得多。这个明显的“悖论”来自于一种错误的信念，即这种情况是对称的——换句话说，你也可以说旅行中的双胞胎相对于地球上的双胞胎是静止的，这意味着地球上的双胞胎比星际旅行中的双胞胎要年轻的多。
但事实并非如此，因为情况是不对称的。当狭义相对论谈到相对运动时，它指的是匀速直线运动。这里的情况不是这样的。因为这对双胞胎在旅程的起点和终点都在一起，所以旅行者必须从静止加速到最高速度，然后在某一时刻，在最终再次减速停止之前，掉头返回相反的方向。这些加速和减速阶段引入了广义相对论，因为它们与引力场有相似的效应。当计算出这种加速度时，我们发现，在类似于时间旅行的情况下，太空中的孪生飞船确实比地球上的飞船衰老得慢。