時間膨脹

实验证明

时间膨胀的试验已经做过许多次了。自1950年代开始的粒子加速器（如欧洲核子研究组织的加速器）的日常工作，就是持续进行的狭义相对论实验。具体的几个实验包括：

介子衰期

比较不同速度下μ-介子的衰期是可行的。慢速的介子可在实验室里制造，而快速的介子则在宇宙射线穿入大气层时制造出来。实验室中静止介子的衰期为2.22 μs，由宇宙射线制造出来的介子的速度为光速的98%，衰期为比静止时大5倍左右，和理论相符合。实验中的“时钟”是介子的衰期，而高速运动介子的时钟有着自己的前进速度，也就是比实验室里的“时钟”慢许多。

太空飞行与时间膨胀

根据时间膨胀效应，太空人在相对于地球上的观察者以极高速运动的飞船内时，对于地球观察者而言，尽管地球已经经历了很长的岁月，飞船内的人却没什么老化，因为极大的速度会使飞船（和里面的所有物体）的时间减慢。也就是说，地球上的观察者会发现，当飞船的时钟走了一圈时，地球上的时钟已经转了许多圈了。只要速度够高，这个效应便会明显地显示出来。比方说，对地球上的观察者而言，可能都过了十五个钟头了，太空旅行者的手表却只走了十五分钟。此效应对飞船或地球这两个坐标系是对称的，因为地球看飞船在动，飞船看地球也在动，而且速度大小相等。也就是说，对太空人而言，地球的时间才是较慢的，可能飞船的时钟过了十分钟，太空人却发现地球上的时钟只过了一分钟(详见更下面的段落以及孪生子佯谬)。
人们更加有可能利用这个效应把人类送到距离我们最近的恒星附近，而不需耗掉大空人的一生光阴(尽管地球上的观察者可能会发现旅行所花的时间仍然大得夸张，但对飞船上的人而言，却只花了更少的一段时间)。然而，要实现这种省时的情况，我们则需要研发一些更新、更先进的推进技术。另一个问题是，在这么高的速度下，空间里的粒子会折射，成为高能量的宇宙射线。要想飞船不被毁灭，我们必须用到一些不可思议的防辐射措施。其中一种建议的措施是利用强电磁场把前来的物质离子化，或把它们反弹出去。
目前的航太科技有着许多根本性的限制，如要把飞船加速到接近光速需要大量能量，小型碎片等会对飞船造成威胁。不过，在今天的太空任务中，时间膨胀并不是考虑的因素之一，因为飞船速度相对于光速实在是太小了。另外一个太空飞行会涉及到的时间膨胀效应情况，是接近一个有着极大引力的地方，如黑洞，那里会有强大的引力时间膨胀效应，电影星际效应中便有相关的桥段出现。

时间膨胀在两个惯性观测者之间是对称的

常理会认为，如果飞船里的时间被拖慢了，则里面的大空人会看到外面的世界相对地“加速”了。可是，狭义相对论却算出相反的结果。
日常生活中其实也有这种怪异的情况：如果两人相距一段距离，则A会看到B“缩小”了，但是B也觉得A“缩小”了。这种透视现象已经被人们适应、接受了，因为它存在于平日的生活里，但是人们对相对论就毫无准备。
我们已经对有关距离的相对论见解习以为常了：从北京到上海的距离当然等于上海到北京的距离。另一方面，当我们考虑到速度方面，会认为如果一个物体在运动，运动一定会是相对于某物：星体、地面或另一人。A物相对B物的速度，是相等于B物相对A物的速度，两者完全相等。
在狭义相对论中，一个移动中的时钟相对观测者的时钟显得较慢。如果A和B在不同的飞船上，而相对速度为接近光速，则A（使用自己的时钟）觉得B时间变慢了，B也觉得A的时间慢了。
注意要在参考系统中建立“同步”的概念，“到底一件事是否和另一处的另一件事同时发生”这个问题有着关键的重要性。所有计算都最终要涉及到哪些事件是同时发生的。也要留意，要建立两个空间中相隔的事件的同步性，这两个地方一定要有讯息相互传递，这也代表了光速是决定同步性的一个重要因素。
大家当然会问到，狭义相对论怎么能在A相对B有时间膨胀而B相对A也有时间膨胀的情况下不前后矛盾。要消除矛盾，我们必须丢弃人们日常对同步性的直觉概念。同步性，是位于一个参考系中的一位观测者和一系列事件之间的关系。如此类推，我们能接受“左”和“右”是参照于观测者的位置和方向。这是因为左和右是一种物体间的关系。同理，柏拉图解释，“上”和“下”是对应于地球的表面的一种关系，因此人们是不会在他们的对跖地（球面上任一点与球心的连线会交球面于另一点，亦即位于球体直径两端的点，这两点互称为对跖点。）掉下去。
理论的架构里有一个同时性的相对论，它影响着特定事件如何根据有相对运动的观测者被调准。由于每个观测者对两个事件是否同时发生都有不同的见解（见孪生子佯谬），因此任一个观测者都可认为对方的时钟减慢了，这并不会导致理论自相矛盾。这矛盾现象有许多更明确的解释，如下。

时态坐标系与时钟同步

相对论使用时钟同步的步骤来建立时态坐标系。现在这常被称为爱因斯坦同步步骤，因为曾出现在他于1905年的论文里。
一位观测者发送一束光讯息，根据他的时钟时间为t₁。在一处遥远的事件，这束光被反射回来，在t₂时到达原先的观测者（根据同一个时钟测量）。这个情况下，由于光线来回都以同一个速度走着同一条路线，因此光讯息在遥远处被弹回来的那一刻的时间tE为tE = (t₁ + t₂) / 2。这样，使用一个观测者的一个时钟便可以定义时态坐标系，并在宇宙各处都适用。
对称的时间膨胀效应发于以这种方式设立的时态坐标系中。效应中，另一个时钟被观测者认为走慢了。观测者并不觉得自己身上发生著时间膨胀，但他可以知道相对另一个坐标系，他的时间是显得较慢。

速度时间膨胀的时空几何

动画中的绿点和红点代表飞船。绿色船队相互并没有速度，因此每艘飞船上的时钟所走的速度都相同，而船队则可以保持飞船之间的同步。红色船队相对绿色船队移动，速度是光速的0.866倍。
蓝点代表光束。根据绿色船队的时间，光束每来回一次所花时间为2秒，单向所需时间为1秒。
从红色飞船看（根据自己的时间），两个红色飞船之间的光束单向所需时间为1秒。而从绿色飞船来看，红色飞船之间所发出光线的路径为一个对角的斜线，单向所需时间为2秒。（以绿色的角度看，红色飞船每2秒（绿色飞船时间）行进距离为1.73（）光秒。）
其中一艘红色飞船每秒向绿船发射讯号。根据绿色飞船的时间，每隔2秒才接收一次讯号。动画中没有提到的是，所有物理效应都被等比例缩小了。红色飞船发出的讯号频率（红色飞船所测量到的）比绿色飞船接收到的讯号频率（绿色飞船所测量到的）要高，反之亦然。
此动画分别以红色或绿色飞船作为参考物，藉以强调速度时间膨胀的对称性质。由于相对论中（牛顿力学中也如此）没有绝对运动这回事，因此无论是红色还是绿色的船队“在其自己的参考系中”都会认为自己是不动的。