从古至今时钟种类丰富，包括日晷、滴水器、摆钟和原子钟等，人们是利用周期性运动的物体作为时钟来度量时间。

日晷 | 图源网络

回到人类文明的早期，钟表是怎么被发明的呢？

时间一去不复返，我们无法回到过去，也无法借助已有的时钟来记录时间（因为时钟还没有被发明），去判断上个周期的时间是否和下个周期的时间相同

于是便浮现出一个问题：你能设计出一种能直观地说明每个周期的时间都是相同的时钟吗？阅读下去，也许会找到答案。

与“光”赛跑

对时间的理解绕不开狭义相对论，但是不要害怕相对论，它虽然在某些层面“反直觉”，但换个角度来说，它才是最符合直觉的，我们需要想深一点。

我们先想象一下光子作为跑步比赛的参赛选手，会发生什么？

     其他参赛选手的噩耗

对于其他的参赛选手应该是一个噩耗。因为光子凭借它的物理本性便可以轻松获胜，无论是谁去追光，在他眼中光速始终不变，无论他跑得多快，光子相对于他的速度始终是一个恒定值(光速)。就像你不动，而别人却在以光速在冲刺，有一个永远也追不上的对手，应该是所有赛跑选手的噩梦吧。

但在观众的眼中，与光子相比，你也有可能望其项背——只要你的速度接近光速。虽然在你眼中，光子依然以光速远远甩下了你。

为你欢呼的观众

没错，这就是对光速不变的真正理解：无论观察者是运动还是静止，他探测到的光速与他的运动状态无关，永远是一个恒定值。

光速不变对感知时间的影响

假设你提着光，站在飞毯上向前飞行，地上有一个小天使在静静的看着你。所谓“提着光”，指的是你拿着两面平行的镜子，这是一台装着光的神奇机器，它能俘获光子，让光在镜子中间来回反射。

小天使在看你飞

在你看来，光子的运动是这样的：

我们通常使用字符c作为光速的缩写。c其实是拉丁文“迅速”的首字母，也是单词“constant”的首字母；光速确实是我们能达到的最快速度，也是一个常量。

图中d为两面镜子的垂直距离，在你眼中，光子从一面镜子运动到另一面镜子所花的时间为：          

为什么时间下标用“静止”？因为这段时间描述的是:你看到的、相对于你静止的机器中的光子运动时间。

然而在地面上的小天使看来，光子的运动路径却是这样的：

勾股定理         

为什么时间下标用“运动”？因为这段时间描述的是：小天使看到的、相对于小天使运动的机器中的光子运动时间。

从我们知道光的速度不变开始，就应该想到，如果速度恒定，距离h也不变，那么变化的也只有时间了。我们可以看到，以确定的两个事件（光子从一面镜子出发为始；光子到达另一面镜子为末）为始末，在不同运动状态的人看来，这两个事件经历时间是不同的。

奇怪吗？其实并不。为什么我们会认为在不同参考系下相同两事件的间隔时间应该相同呢，因为我们默认使用了伽利略变换，如下图所示，它规定了在不同参考系下，时间流逝速率相同。

两种坐标变换对比

但是这组表达式把光速也囊括进去了，在两个相对运动的惯性参考系中，由伽利略变换推导出的速度变换公式认为光速也会随着不同参考系改变，很明显，违反了光速不变原理，那么我们要向既定的认知提出疑问——这才是真正的可证伪的科学。在光速不变定理的限制下（更新的速度变换公式满足了光速不变），伽利略变换被更换为洛伦兹变换，两个参考系的时间变换等式向我们清晰地展现了在不同参考系下时间流逝是怎样的不同。

现在我们回到之前的故事，把在两个参考系下（你和小天使）观察到的同一过程复制一份，搬到同一个参考系（小天使）下。

假设小天使也提着一个相同的“捕光机器”2号，在这种情况下，他看到的光子运动路径会和你一样，也是竖直上下。也就是说小天使看相对自身静止的“捕光机器”2号中的光子运动和看相对自身运动的原“捕光机器”中的光子运动，感受到的两者的时间流逝是不一样的。

换个主语，在以你为主（以你为参考系）的世界里，你看到不同运动速度的物体的时间流逝是不同的，他的运动速度s越大，他的时间流逝就越慢，经历相同的事件所花的时间越长，关系表达式如下：    

 没错，这就是钟慢效应。

当然不只是小天使，也不只是你，在每一个物体的世界中，都是这样。

或者用狭义相对性原理的语言来描述：在任何不同物体看来（以不同物体为惯性参考系），所有物理定律都是一样。

真空波速计算公式

后来赫兹通过实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦真的算出了光速。所以我们惊奇地发现电磁波的波速和波源的运动速度居然是无关的，也就是说光速与光源运动无关。

麦克斯韦和赫兹

速度的选取需要依据参照物的运动状态，而上述计算结果和实验告诉我们光速居然是一个例外。但是我们知道，麦克斯韦方程组的推导没有预先规定一个参考系，我们使用它也并不依赖于某个特定的参考系，这仿佛在暗示我们去得到光速不变定理，这样一切就水到渠成了。以一个简洁自然的假设（公理），来解释繁杂多变的现实世界，不就是我们的科学一直在做的事情吗？

狭义相对论的狭义相对性原理：以不同物体为参考系，所有物理定律都是一样——是一条更基础的原理。根据狭义相对性原理，在不同的惯性系中，描述电磁学的物理定律——麦克斯韦方程组必须具有一样的形式。如果光速随参考系改变，那么麦克斯韦方程组岂不是也要随之一起改变。从这个角度上看，光速不变原理才是更加符合我们的思考与逻辑的。单从这条逻辑出发，可以说光速不变原理是狭义相对性原理的极佳显式表现。

光速前进

当然，提出的原理需要来解释现实，一个科学史上最成功的失败实验——迈克尔逊-莫雷实验。它成为了光速不变原理的绝妙实验证据。

更新时空观

“夫天地者，万物之逆旅也；

光阴者，百代之过客。”

从古至今，在我们的文化中，时间和空间仿佛永远互不干扰，牛顿的绝对时空观非常符合我们的生活体验，而基于爱因斯坦提出的狭义相对论的两条原理，逻辑推导出的一系列观点，从根本上改变了我们对时间流逝的看法。

牛顿vs爱因斯坦

两种时空观的本质区别：

牛顿经典时空观：时间的流逝是独立运行的，和空间无关。

爱因斯坦狭义相对论：空间和时间互不独立，联系紧密。

就钟慢效应可以这样理解：对于提着光的你而言，你是在同一个地点记录的光子从一面镜子运动到另一面镜子的这个过程所花费的时间；而对于小天使来说，由于你在飞，始末发生的这两个事件，在小天使的空间中的不同位置，因此在同一地点测量出的时间更短，可以粗略地这样理解：因为不需要把时空速度分给空间速度。

狭义相对论让我们对时空基本结构的理解向前迈进了一大步，它终结了绝对时间的观念，让每个观察者都拥有了属于他的独一无二的时间读数。

注：文中所有参考系均只考虑为惯性系，即不讨论参照物运动有加速度。当然，如果考虑非惯性系的话，我们需要加上等效原理，那这就是广义相对论的故事了。