1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,十年之后,再次提出广义相对论。相对论的横空出世,彻底颠覆了人类的传统时空观。

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虽然相对论一经提出,便遭受到了很大的质疑,但经过一百多年的不断验证,如今相对论不但没有被推翻,它的根基越来越稳固,已经成为现代物理学大厦的两大基石之一。

不过,或许是因为相对论太具有颠覆性了,它描述的都是亚光速世界的运行规律,而我们很难直接去亚光速世界亲自体验,以至于直到今天,仍旧有不少人质疑相对论,质疑的理由有很多,其中一个就是“双生子佯谬”。

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爱因斯坦狭义相对论表明,速度会影响时间的流逝,速度越快时间就越慢,这就是时间膨胀效应或者说钟慢效应。

那么双生子佯谬到底是怎么回事呢?

这只是一个思想实验。假设有一对双胞胎兄弟。弟弟待在地球上,哥哥乘坐亚光速飞船离开地球,进行星际旅行。那么当哥哥返回地球之后,他和弟弟谁更年轻呢?

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按照狭义相对论的时间膨胀效应,速度越快时间就越慢,那么哥哥应该更年轻,毕竟哥哥一直在以亚光速飞行,他的时间变慢了。

但由于速度是相对的,那么在哥哥眼里,弟弟同样在做亚光速飞行,哥哥也会认为弟弟的时间变慢了,所以应该弟弟更年轻。

这就出现了“双生子佯谬”,看起来出现了无法解释的矛盾。但无论是哥哥更年轻还是弟弟更年轻,结果都只能是一个,不可能出现“哥哥更年轻,弟弟也更年轻”的矛盾结果。那么到底谁更年轻呢?

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质疑到底谁更年轻,实际上是自己给自己挖了一个大坑,自己跳进自己设定的圈套里。其实,这本不应该是一个问题,或者说是一个没意义的问题。说点不好听的,就是有人“吃饱了撑的”,没有困难制造困难也要上,硬要用“双生子佯谬”质疑相对论,完全没有搞清楚狭义相对论的基本前提。

为何说“双生子佯谬”本不应该是问题呢?原因很简单,因为狭义相对论的基本前提是“惯性系”。也就是说,狭义相对论推导出来的任何结论,都必须以惯性系为基础,在非惯性系中就没有任何意义。

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而在双生子佯谬这个思想实验中,哥哥和弟弟之间根本就不是惯性系的平等关系,因为哥哥乘坐火箭离开并返回地球的过程中,一定会经历加速减速的过程,而这个过程就是非惯性系。只有哥哥和弟弟都保持惯性系,狭义相对论才能适用。

所以,之所以会出现“哥哥看弟弟更年轻,弟弟看哥哥也更年轻”的矛盾结果,就是因为有些人把狭义相对论“玩坏”了,用一个“错误”的狭义相对论去质疑狭义相对论,就有点本末倒置了。

其实这种质疑就相当于先假设狭义相对论是错误的,然后通过“一顿猛如虎”的操作,最终证明了狭义相对论确实错了!这是不是有点可笑呢?

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说了这么多,双生子佯谬中到底谁对呢?哥哥和弟弟都认为对方更年轻,哥哥和弟弟谁对谁错呢?

弟弟对了!因为哥哥会更年轻,而不是弟弟更年轻。为什么会这样?

由于哥哥和弟弟之间存在非惯性系,就不能用狭义相对论来解释了,需要用更普适的广义相对论来诠释,因为广义相对论适用于各种参照系,不仅仅是惯性参照系。

按照广义相对论诠释,引力同样会让时间变慢,引力越大时间就越慢。而广义相对论中有一个基本前提,也就是等效原理,该原理表明加速度与引力是等效的,因为加速度会产生惯性力,这种力量与引力等效。

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就好比如果你深处一个密封的箱子里,箱子以9.8的加速度向上飞行,你的感觉与站在地面上没有任何区别,如果你闭上眼睛,你根本无法区分自己到底是站在地面上,还是深处一个以9.8的加速度向上飞行的箱子里!因为两者是等效的。

由于加速度与引力等效,哥哥在返回地球的过程中势必会经历减速然后再加速的过程,也就会有加速度,所以哥哥的时间变慢了。

你可能会质疑:相对哥哥来讲,弟弟也经历了加速度。不过弟弟所谓的加速度只是假的“加速度”。因为加速度等效于引力并不是问题的本质,本质上讲是强大的引力会引起周围时空的改变,时间的改变就会引起时间和空间的变化。相当于哥哥处于一个强大的引力场里,与哥哥在黑洞附近逗留一会没有任何区别。

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而弟弟所谓的“加速度”并不会引起时空的任何改变,时间自然也不会有任何变化。

其实,双生子佯谬也是可以用狭义相对论来诠释的,只不过过程会很复杂,需要把哥哥掉头返回地球的过程进行无限分解,分解为很多个惯性系,然后再进行计算分析,就相当于一个微积分的过程!