狹義相對論時空觀的一套全新證明方法
1、運動物體的視覺長度變化
光速是有限的。因此當我們環顧四周時，我們所看到的一切物體，都不是物體當前的真實形象，而是它們
N
秒前的影象：我們看到的太陽是8分鐘以前的太陽，我們看到的月亮是1秒鐘以前的月亮，再看一眼我們手中的物體，即使它距離我們的眼睛只有30Cm，但是我們看到的也仍然是隻它1×10-9秒前的影像。同理，我們所看到的一切事件也不是當前發生的，而是發生在
N
秒以前！具體的時間差取決於物體和觀察者之間的距離
L
。假設光速為
c
，時間差為
Δt
，則有：
Δt=
L
/c
當物體遠離觀察者運動時，由於物體距離觀察者越來越遠，因此，觀察者看到物體的真實影像，看到物體移動到的真實位置所需的時間間隔
Δ
t
也就越來越長，如下圖所示：
AB兩物體相對靜止，物體C從A身邊出發，以速度
v
向右勻速運動，經過
t
秒以後，運動到物體B所在位置。顯然，AB之間的距離
L
=vt
，然而，由於光速
c
是有限的，物體C到達B的事件訊號，還需要再經過一段時間間隔
Δt
才能傳播到A處，因此，觀察者在A處會發現，物體C經過了
t+Δt
秒才到達B處。也就是說：
當物體遠離觀察者運動時，其視覺上運動時間
t
遠
會變長：
同時，在物體遠離觀察者運動的過程中，觀察者每一時刻
t
所看到的物體視覺位置，都比其實際位置偏近，假設物體到觀察者的實際距離
L
=vt,
則其視覺位置
L
遠
為：
反過來，如果觀察者發現某個物體遠離他移動時的視覺長度為
L
遠
，那麼，我們也可以根據視覺長度
L
遠
反算出該物體的真實長度
L
：
同理，當物體靠近觀察者運動時，由於物體和觀察者之間存在著一定的空間間隔，觀察者看到的物體運動的開始時間，要晚於物體的實際運動時間，如下圖所示：如果我們站在B的位置觀察就會發現，當C靠近B運動時，由於B處看到的C的運動開始時間要晚一段時間
Δt。
因此在B看來，C在視覺上的運動時間
t
遠
比其實際運動時間
t
要短
Δt
。
因此，當物體遠離觀察者運動時，其視覺上運動時間
t
近
為：
同理，如果物體靠近觀察者運動，觀察者每一時刻
t
所看到的物體視覺位置，要比其實際執行到的位置偏遠，假設物體到觀察者的實際距離
L
=vt
，則其視覺位置
L
近
為：
反過來，如果觀察者發現某個物體靠近他移動時的視覺長度為
L
近
，那麼，也很容易根據視覺長度
L
近
得到該物體的真實長度：
2、運動參考系的空間變化
接下來，我們要以物體的視覺長度變化規律為基礎，進一步分析兩個相對運動的慣性參考系之間的空間變化規律。如下圖所示：AB與A
’
B
’
為任意兩把材質相同的刻度尺，在相對靜止的條件下，兩把刻度尺的刻度均勻、單位長度相等、且總長度均為
L
。現在兩把刻度尺之間發生了相對運動：
相對於AB而言，
A’B’正
以速度
v
勻速直線向右運動，某時刻，兩把刻度尺左端的
A
與
A’
恰好重合。此時，如果我們站在A和
A’
的位置觀察就會發現：兩把刻度尺的右端
B’
和B端並沒有對齊，
B’
明顯位於B的左側位置。必須指出，該現象並不能證明運動的尺子
A’B’
縮短了，之所以出現這種現象，主要是因為
B’
經過B端的訊號還需要經過一段時間才能傳播到A或
A’
所在位置。不過，面對B與B’無法重合的這一現象，不同觀察者給出了不同的解釋：
假設觀察者A和尺AB保持相對靜止，且位於尺AB的左端，因此觀察者A自然會選擇尺AB為參考系，面對B’在B的左側現象，觀察者A給出的解釋是：尺AB長度永遠保持標準長度
L
不變，由於動尺
A’B’
的
B’
端正在遠離自己向右運動，因此B’之所以出現在B的左側是因為
A’B’
的視覺長度縮短了；
但就在此時此地，還有一位觀察者
A’
，他與尺
A’B’
保持相對靜止，也即他們以同樣的速度
v
向右運動，那麼觀察者A’自然會選擇尺
A’B’
為參考系，面對B在B’右側的這種現象，觀察者A’給出的解釋是：
A’B’
之間的距離才是標準的長度
L
，由於AB尺的B端在靠近自己向左運動，因此B出現在B’右側是因為AB尺的視覺長度變長了。
也就是說，在此場景下，兩位觀察者A和A
‘
在同一時間、同一地點朝著同一方向觀察時，看到了B’在左、B在右側的同一現象，但A和A
‘
兩位觀察者對這個現象的解釋卻是完全不同的，他們都認為自己所在參考系的空間尺度沒有變化，而認為對方的刻度尺呈現出的長度變化只是由於運動導致的視覺現象。
不過，無論雙方的具體解釋如何，有一點是確切無疑的，那就是B’點對應在在AB尺上的刻度值是固定的。假設這個刻度值為
n
，也就意味著的尺
A’B’
在AB參考系內的視覺長度為
n
。當然，如果我們以
A’B’
為標準，觀察B點對應在
A’B’
上的刻度，也會得到AB在
A’B’
參考系內的視覺長度
n’
，不過，由於此時B的視覺位置處於B’的右端，
n’
的數值並不能直接透過觀察讀取，但是也可以按照一定的比例計算得到：
顯然，n’≠l≠n
。
即存在相對運動的條件下，兩把刻度尺的視覺長度並不相同，不過我們可以根據運動物體的視覺長度變化規律，反算出兩把尺子在對方所在參考系的測量長度：
由於B’在遠離觀察者A運動，由
A’B’
在AB中的視長度為
n
，可以透過視長公式進行反算，得出
A’B’
在AB參考系中的測量長度
L
A’B’
為：
同時，由於B在靠近觀察者A’運動，由AB在
A’B’
中的視長度為
n’
，可以透過視長公式反算，得出AB在
A’B’
參考系中的測量長度
L
AB
為：
根據相對性原理，勻速直線運動的兩個參考系之間是彼此對稱的，沒有任何技術手段去測量AB和
A’B’
之間哪一個在做絕對運動，既然A和A
’
雙方都認為自己的長度保持
L
不變，那麼它們測量對方刻度尺所得到的長度必然也是相等的，我們假設這個長度為
L
’,
則有：
兩式左右分別相乘，可得：
顯然，
L
’<
L
。即可得出運動參考系動尺變短的結論。
3、運動參考系的時間變化
時鐘是計量時間的基本工具，所有時鐘內部都由一個穩定的迴圈運動裝置和一系列計數裝置組成。時鐘的迴圈運動裝置包括但不限於：遊絲、單擺、電晶體震盪、光脈衝、量子能級躍遷等等，對於時鐘而言，每一次迴圈所消耗的時間長度為一個基本的計時單位，這種迴圈運動越是穩定，時鐘執行的就越是平穩，每次迴圈所需時間越短，這個時鐘的計時就越是精確，在不斷的迴圈往復的運動過程中，計數裝置持續不斷的對迴圈運動的次數做出累加，從而逐漸呈現出秒、分、時、日、月、年等時間單位。
如果時鐘在觀察者面前以勻速直線的方式運動，從觀察者看來，時鐘會逐漸靠近或者遠離自己。根據運動物體的視覺現象原理可知：時鐘運動時的視覺速度並不等於其實際執行速度。當時鍾靠近觀察者運動時，其視覺速度大於實際速度，視覺上鐘錶的執行速度也會對應加快；當時鍾遠離觀察者運動時，其視覺速度小於實際速度，視覺上鐘錶的執行速度也會相應的變慢。以上討論的僅僅是運動時鐘的視覺時間變化，那麼在此過程中，時鐘的實際執行時間又將如何變化呢？接下來，我們就對此展開細緻的分析：
如下圖所：假設ABC為任意機制下的結構材質均相同的三座時鐘。AB兩座時鐘相對靜止，二者間距為
l
，C鍾以速度
v
勻速直線向右運動，某時刻，鍾C正經過A處飛往B處。那麼，在此過程中：
起飛瞬間：假設在鍾C經過鍾A起飛的瞬間，由於AC與B存在著一定的空間間隔
l
，因此AC看到B的視覺指示時間比B的實際執行時間要早
Δt
秒。同理，B看到的AC也是Δt秒前的AC，在C起飛Δt秒以後，B才能收到C起飛的訊息。其中的時間差
Δt
為：
Δt=l/c
飛行中：C鍾從A處起飛後，以速度
v
飛往B，當C到達B處時，經歷的時間
t
應為：
t=l/v
到達後：由於AB之間存在一定的時間間隔
Δt
，所以從A處觀察會發現，C到達B的時間比實際時間要晚了
Δt
秒，即A看到的C的飛行時間
t
A
比實際飛行時間
t
多出
Δt
秒；而從B處觀察又會發現，C從A處起飛的時間比實際起飛時間晚
Δt
秒，B看到的C的飛行時間
t
B
比實際飛行時間
t
少
Δt
秒。即：
接下來我們切換到鍾C所在的參考系：在起飛時，C看到的現象和A看到的現象完全相同，他們所看到的B的視覺時間要比B的實際時間早
Δt
秒。而當鍾C到達B時，C所看到的現象應該和B所看到的現象完全相同，它看到的A的視覺時間又比A的實際時間晚
Δt
秒。如果C看到的鐘A鍾B的時間變化分別用
t
A’
和
t
B’
表示，則有：
那麼，在此過程中，C鍾自己的實際執行時間又會是多少呢？根據相對性原理，兩個相互勻速直線運動的參考系應該是對稱的，不應該有任何技術手段測量出ABC中哪一個是絕對運動，哪一個是絕對靜止的！因此，A遠離C的運動和C遠離A的運動是對稱的。C靠近B的運動和B靠近C的運動也是完全對稱的。
假設C鍾自己從A執行到B經歷的時間為
t
C
，而A觀察到整個運動發過程經歷的時間為
t
A
，由於A鍾和C鐘的時間都是均勻流逝的，所以當A鍾自己每經過1秒時，A看到的鐘C經歷的視覺時間為
t
C
/t
A
；同時，當C到達B時，C自己流逝的時間為
t
C
，同時C轉身看到A流逝的時間為
t
A
’
，所以當C鐘的時間每經過1秒，C看到的鐘A經歷的視覺時間為
t
A
’
/t
C
。根據相對性原理，AC兩個參考系是對稱的，在AC均認為自己經歷的時間是1秒的前提下，他們所觀察到的對方的視覺時間應該是完全相同的，即：
化簡併整理，可得：
對於上述分析過程，我們也可以分別站在BC的角度進行觀察：在C鍾從A飛到B的過程中，C鍾自己經歷的時間是
t
C
，而C發現的B鍾經歷的時間是
t
B
’
，對C鍾而言，當自己的時鐘每經過1秒，B鍾經歷的時間是
t
B
’
/t
C
；在同一過程中，站在B鐘的位置則會發現，B鍾自己經歷的時間是
t
B
，而C鍾經歷的時間仍為
t
C
，所以對B鍾而言，自己每經過1秒鐘，C鍾經歷的時間為
t
C
/t
B
。根據相對性原理，BC兩個參考系是對稱的，所以BC自己每經歷1秒鐘，他們所測得的對方的視覺時間應該是相同的，即：
化簡併整理，可得：
在上述過程中，我們對ABC三鐘的分析得到了完全相同的結果，如果我們把靜止參考系AB的執行時間統一用
t
表示，運動參考系C的時間用
t
’
表示，則有：
化簡，可得：
顯然，由於
t’<t
。即可得出運動參考系時鐘變慢的結論。
