若一名宇航員以光速離開地球， 在一年之後又以光速返回， 根據常理， 當宇航員返回地球時， 地球上應該已經過去了兩年時光。
不過， 如果你知道相對論， 那麼你就不會這麼想了。 如果從相對論的角度出發， 那麼那時地球上已經過去了多長時間呢？
光速每秒30萬千米， 是宇宙中最快的速度。 根據相對論， 有品質的物體被禁止超越光速， 那是因為要將它們加速到光速， 需要無窮的能量。 所以說， 宇航員和航天器理論上來說只能以接近光速的速度運動。
而時間是相對的， 在不同參考系下就會得出不同的時間， 所以飛船上的時間和地球上的時間是不同的。 時間具有單向性， 永遠向前流逝。 而傳統觀念認為， 在時空中每個位置上時間的流逝速度都是相同的， 不過高精度實驗已經證明， 這種觀念是錯的。 所以， 要想弄明白這個問題， 就必須拋掉絕對時空觀。
根據狹義相對論， 如果參考系的運動速度越快， 那麼該參考系下的時間流逝速度就越慢。 當物體的運動速度達到光速時， 時間就已經停止流逝了。 這種現象被叫做時間膨脹效應， 或者叫鐘慢效應。 當參考系的運動速度越趨近光速時， 這種效應也就越顯著。
以接近光速飛行的太空船， 與地球這兩個參考系的運動速度明顯不同。 太空船上的時間流逝速度很慢， 那麼當宇航員返回地球時， 對於宇航員來說， 它只經歷了兩年時間， 而對於地球上的人來說， 卻已經過去了好幾年， 甚至上百年。 這真的是「天上一日， 地下一年」！
若宇航員全程都以99%的光速運動， 兩年之後， 他返回地球後會發現， 地球上的人們已經過了14年。 如果他有一個雙胞胎兄弟， 那麼他的兄弟此時會比他大12歲。
如果以99.99%倍的光速運動， 兩年之後， 兩者之間的時間差將達到139.4年， 真要發生這種情況， 恐怕他返回地球時就看不到他的雙胞胎兄弟了。
不過， 在實際情況中，
利用這種現象， 我們可以進行時間旅行，
此外， 在相對論中， 所有參考系都是平權的， 而運動也是相對的， 太空船遠離地球， 也可以看作地球遠離太空船。 那麼， 從各自的角度來看， 都是自身的時間變慢了。 那究竟是誰的時間真正變慢了？
其實， 之所以出現這個矛盾， 是因為我們把它們都當做了慣性參考系。 由於太空船在離開和返回地球的過程中經歷了加速和減速的過程， 那麼太空船就屬於非慣性參考系。 對於非慣性參考系就必須用廣義相對論進行處理。
而在廣義相對論中， 引力也會導致時間膨脹， 引力場越強的地方， 時間的流逝速度也就越慢。
太空船加速過程中的慣性力等同於引力，因此必須考慮引力導致的時間膨脹效應。綜合考量下，實際上就是太空船的時間變慢了，而不是地球。
即使你覺得這很荒謬，不過事實就是如此。無論是在高能粒子加速器中，還是在GPS衛星上，這一理論已經過長期且嚴格的檢驗。 全球定位系統依賴精確的時間，由於存在時間膨脹，所以衛星上原子鐘的時間每隔一段時間就必須要校準，要不然，每12個小時，定位結果便會有7米左右的偏差。
太空船加速過程中的慣性力等同於引力，因此必須考慮引力導致的時間膨脹效應。綜合考量下，實際上就是太空船的時間變慢了，而不是地球。
即使你覺得這很荒謬，不過事實就是如此。無論是在高能粒子加速器中，還是在GPS衛星上，這一理論已經過長期且嚴格的檢驗。 全球定位系統依賴精確的時間，由於存在時間膨脹，所以衛星上原子鐘的時間每隔一段時間就必須要校準，要不然，每12個小時，定位結果便會有7米左右的偏差。