如果一名执行深空任务的宇航员多年后回到地球，却发现他们的亲人已经老了几十年，这听起来就像是科幻大片里的情节。
事实上，这是《星际穿越》中最令人难忘的场景之一，一名宇航员在黑洞附近的旅行使他比他家乡的家人衰老得慢得多。
但这种被称为时间膨胀的效应并不仅仅存在于科幻小说中。这是爱因斯坦的相对论所描述的一种真实的、可测量的现象。
虽然目前的任务还没有达到产生显著时间膨胀所需的速度，但未来的高速太空旅行可能会带来这种效应。
“如果宇航员在高速飞行中，他们会觉得时间过得很正常，”天文学家乔纳森·沃德（Jonathan Ward）告诉《国家报》（The National），他著有几本广受好评的太空历史书籍。
“但是当他们回来并将他们的时钟与地球上的时钟进行比较时，他们会发现地球上的时间过去了很多。你走得越快，时间膨胀的影响就越强。”
理解时间膨胀
他说，时间膨胀的核心是时间流逝的速度对每个人来说都不一样，尤其是在极端的速度或重力条件下。
英国皇家天文学会会员沃德说：“当你以接近光速的速度旅行时，你对时间的体验与留在后面的人非常不同。”
“你越接近光速，你相对于地球的时间就越慢。”
光速是宇宙中最快的速度，速度约为每秒30万公里，这意味着光可以在一秒钟内绕地球七圈以上。
为了说明时间膨胀，沃德描述了一段前往半人马座阿尔法星的假想旅程。半人马座阿尔法星是离我们太阳系最近的恒星系统，距离我们4.37光年。
他说，如果一名宇航员以光速的1%飞行到恒星系统，从地球的角度来看，这段旅程将花费大约874年的时间，而宇航员将经历其中的大部分时间，准确地说，是873.98年。
他说：“但是在90%光速的情况下，地球上的人将经过近10年的时间，而宇航员只会经历大约4.24年的旅行。”
“你越接近光速，时间差就越大。如果你是一个光子，一个光的粒子，不管你走了多远，时间都不会过去。”
为什么时间膨胀已经是太空任务中的一个因素
对于未来的太空任务来说，时间膨胀似乎还很遥远，但它的影响已经影响到我们今天在太空中使用的技术。
航空航天工程师、巴黎咨询公司Bumi and Space的创始人Sahith Reddy Madara告诉《国家报》，工程师在操作环绕地球和附近行星的卫星时，必须考虑到时间膨胀。
他说：“工程师们每天都在考虑相对论的每一分钟影响，尤其是在低地球轨道上的GPS卫星。”
根据沃德的说法，GPS卫星以28163公里/小时的速度绕地球运行，因此它们的机载时钟每天比地球时钟慢7微秒左右，由于地球引力的作用，每天慢45微秒。
马达拉表示：“在深空任务中，这些调整将扩大规模，可能会影响任务时间表和数据准确性，我们走得越远。”
他说，如果未来星际旅行成为可能，时间膨胀就变得至关重要。
更高的速度意味着航天器和地球之间的时间流差异更大，这可能会影响通信，在监测宇航员的健康时可能会产生问题。
马达拉表示：“我们肯定需要特殊的系统——可能是基于人工智能的时间自适应系统——来帮助弥合这些相对论性差异造成的交流鸿沟。”
“就健康数据而言，时间膨胀可能会增加一个变数。由于空间环境本身的原因，医学研究已经面临比较宇航员和地面控制数据的挑战。
“如果宇航员的‘时间’流动得更慢，同步健康数据将变得更加复杂。
“我们可能不得不调整数据，以解释它们相对于地球时间的较慢的生物衰老，这可能会重塑我们对长期太空任务健康结果的解释。”
时间膨胀也在国际空间站的宇航员身上被观察到，正如美国宇航局对马克和斯科特·凯利的双胞胎研究所看到的那样。
该研究证明了时间膨胀的微小但可测量的影响。当斯科特在空间站上以每小时28000公里的速度飞行时，他的时间过得比留在地球上的马克稍慢。
这种差异虽然非常小，但导致斯科特在轨道上的一年里比马克衰老了几毫秒。
时间膨胀效应是空间站的速度和它在地球引力场中的位置共同作用的结果。
未来的任务能解锁新的物理吗？
除了导航和实际问题之外，时间膨胀还为科学家提供了一个有价值的工具，可以解开物理学的新发现。
卡迪夫大学的马修·格里芬教授告诉《国家报》，时间膨胀有助于解释某些到达地球表面的高速粒子。
其中一个例子是宇宙介子，一种在地球大气层高空产生的粒子，寿命很短。
“μ子在一个非常短的特征时间内衰变。他们在地面上被发现，即使他们的生命（在他们自己的参照系中）太短，以至于他们在腐烂之前到达地面，”他说。
“由于宇宙大爆炸以来宇宙膨胀率的变化，距离依赖的时间膨胀效应也出现在对非常遥远的星系和超新星的天文观测中。
“通过比较轨道上的原子钟和地面上的原子钟的超精确时间测量，这一点也得到了验证。”
