解读时空和运动的奥秘，“双生子佯谬”中的哥哥和弟弟谁更年轻？|双生子佯谬|宇宙|引力|爱因斯坦|牛顿|狭义相对论|行星

宇宙的诞生与终结，是我们无法回避的哲学问题。宇宙的起点在哪里，又是否有起始之前？在那无尽的过去，到底发生了什么神秘事件？时间的本质何在？它是否可以逆转？它有没有尽头？

亚里士多德曾认为，物体的常态是安稳不动的，仅在受到外力的推动时才开始移动。因此，普遍认知是，重物比轻物下落速度更快。

然而，伽利略的实验推翻了这一观点，通过著名的比萨斜塔实验，他证明了无论物体的轻重，它们落地的速度是相同的。这并非因为空气阻力的微小影响，而是因为物体受到地球引力的牵引。在没有空气阻力的月球上，一根羽毛和一个铁球同时着地，实验证明了这一点。

根据牛顿的重力理论，物体在自由落体时，始终受到自身重量的引力作用，这一作用使得物体以恒定的加速度持续移动。因此，力的真正作用并非使物体移动，而是使其速度持续变化。如果物体不受外力作用，它将一直保持原来的运动状态，不论是直线还是曲线运动。这些观点在牛顿的《自然哲学的数学原理》一书中得到详细阐述，该书于1987年出版，提出了牛顿的第一运动定律。

牛顿的第二运动定律进一步指出，物体在被加速或速度发生改变时，其速度变化的速率与施加的外力成正比。这意味着，如果外力加倍，速度的变化也会加倍。比如，两辆相同的汽车，重量越大的加速度越小。同样，任何两个物体都会互相吸引，引力的大小与物体的质量成正比。

因此，两个质量不同的物体在受到相同加速力的情况下，它们受到的引力相互抵消。

牛顿还表明，两个物体间的距离越远，它们之间的引力就越小。这一定律精确地预测了地球、月亮和其他行星的运行轨道。

通过牛顿的定律，我们意识到，所谓的绝对静止并不存在。

例如，当你坐在椅子上，虽然相对于地球来说是静止的，但相对于月亮或其他移动的天体来说，你是在以固定的速度移动。

当你在公交车上，车上的乘客认为你是静止的，但车下的人看到你正在移动。而你看到车外某个静止物体相对于你正在移动。

这可能令人困惑：绝对静止的标准意味着人们无法确定，不同时间发生的两个事件是否发生在空间的相同位置上。公交车上的你可能会看到一个孩子在跳绳，对他来说他回到了原地，但对你来说你看到的是他跳到了5米之外的地方。

我们坚信绝对的时间和空间，因为我们可以测量它们，感受它们。然而，牛顿的理论却证明了绝对空间的不存在，就像一个无法捕捉的幽灵。

1676年，欧勒·克里斯·罗默第一次证实了光速有限但非常高的速度，大约为每秒140000英里。这个发现最初并未被广泛接受，直到1865年，英国物理学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦成功地将电力和磁力的部分理论统一起来，才出现了光传播的正确理论：在电磁场中，存在波动的干扰，光以波浪的形式运动。如果这些波的波长为一米或更长，它们就是我们所说的无线电波；更短的波长则是微波（几厘米）或红外线（长于万分之一厘米）；可见光的波长在四十万分之一到八十万分之一厘米之间。更短的波长是紫外线，X射线和伽马射线。

但牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念。因此，如果光以固定的速度传播，人们必须确定这个速度是相对于什么来测量的。因此，有人提出了无所不在的物质——“以太”。甚至在“真空的”空间中也是如此。正如声波在空气中传播一样，光波应当通过“以太”进行，它们的速度是相对于以太而言的。

那么，光的旅行和空间的变化又将如何影响时间呢？如果空间不是绝对存在的，那么时间又会如何？是什么在影响时间？

这张图展示了一个从黑洞中以接近光速射出的喷流。当物体接近光速时，时间的行为会变得非常奇怪。

我们对时间的理解并不十分深刻。

每个人都会经历时间——确切地说，是每天经历——但我们对时间的理解并不严格和全面。不过，我们确实知道一些事情，尤其是当我们从狭义相对论和广义相对论的角度来看待时间时。爱因斯坦的研究成果教会了我们许多事情：空间和时间是相互联系的，你永远不能比光移动得更快，我们的宇宙有一个有限的年龄，不同的观察者会经历不同的时间段。

这些发现引出了许多有趣的问题。现在是时候对这些问题进行总结了。

我们的宇宙有多大年龄？

根据目前最准确的估计，我们的宇宙已经有137.7亿年的历史。但考虑到狭义相对论，我们知道每个人对时间的测量方式都不同，这取决于他们的速度。地球绕太阳转，太阳绕银河系转，银河系在星际空间穿梭，因此，在不同星系、不同恒星的不同行星上的时间流逝的视角会大不相同。那么，我们如何确定宇宙的“真实”年龄呢？

关键在这里。的确，根据狭义相对论，不同的观察者有不同的时间尺度。但我们的整个宇宙并非完全由狭义相对论所描述，我们用来理解宇宙物质的工具是狭义相对论的“老大哥”——广义相对论。当我们从广义相对论的角度来看宇宙的历史时，我们就会发现宇宙有一个确定的历史。

我们的宇宙在不断膨胀，现在的宇宙比过去要大，比未来要小。特定的时间点和特定的宇宙大小之间有直接的联系。这让我们能够建立一个相当于宇宙时钟的东西，一个已经滴答滴答走了130亿年的时钟。

是的，地球在宇宙中的运动也稍微影响了这个时钟，但有了广义相对论这个工具，我们可以消除这些微小的影响，然后计算出“真实”宇宙的年龄，当然，在宇宙其他地方的观察者也可以这样做（前提是他们也发展出了广义相对论，但这是他们的事情）。

光是否也会经历时间？

移动的时钟会走得慢。你在空间中移动得越快，在时间中移动得就越慢，这是爱因斯坦狭义相对论中最引人注目的结论之一，它也是将时空之间的独特关系可视化的一种方法。这种“时间膨胀”效应在你日常生活中经常体验的速度下是完全不明显的，只有当你接近光速时，时间才会变得不稳定。

那么，如果你的速度越来越接近光速的时候时间对于你来说会变慢的话，那么光本身呢？光以宇宙的最高限速运动，难道光就不会经历时间吗？

有点这么个意思，但也不完全是。我们对时间和空间之间关系的认识依赖于狭义相对论。虽然这个理论产生了各种各样疯狂的结果，但它其实基于一些非常简单的想法，其中最重要的是物理定律普遍性的概念：如果一个现象对一个观察者适用的话，从根本上说，这个现象也适用于所有观察者。

而通过麦克斯韦方程，我们知道，在物理学中光速是恒定的。每个观察者（不管他们的速度如何）都会测量到速度一样的光速。

所以，如果我们想把狭义相对论的知识应用到光速运动中的话，我们会遇到一个小问题。为了问出“光是如何经历时间的？”这个问题，你必须把自己置于一个场景中，在这个场景中你与一束光一起运动，这束光对你来说是静止的。

但我们的物理定律不允许有这样的事情发生，所以与一束光同行这样的情景并不存在，而没有这样的场景，狭义相对论就会崩溃，没有狭义相对论，你就无法测量空间和时间之间的关系。

所有这些扭曲的思想实验最终得到的是什么结果呢？并不是说光不会经历时间，而是我们对时间的概念并不适用于光。

光甚至不知道时间为何物！

现在有一对双胞胎，哥哥坐着火箭以接近光速的速度进行太空旅行，弟弟则乖乖呆在家里。在返回地球这个无聊的行星之前，进行太空旅行的哥哥绕着银河系旋转，玩的不亦乐乎，而弟弟则在地球上无聊地洗衣服。

根据哥哥的说法，这次太空旅行可能只花了几周或几个月的时间，算是一次长途旅行，不错，但是长不到哪里去。不过对弟弟来说，他却忍受了数年，甚至是数十年的极度孤独。

这个部分并不令人惊讶，移动的时钟走得很慢，诸如此类的说法我们已经有所耳闻。根据弟弟的说法，哥哥以接近光速的速度移动，因此经历的时间更慢。

但且慢，哥哥也可以说他才是静止的，而整个宇宙，包括弟弟才是在一直运动的，这完全没毛病，毕竟，相对论就是相对的，没有人的观点是特别的。所以根据哥哥的说法，弟弟应该不会老才对。

那么到底是谁赢得了这场关于年龄的争论?

孤独、缺乏冒险精神、待在地球上弟弟赢了，因为他未曾“回首”。只因哥哥始终沿着固定方向前进，两者的视野才得以完美对应，每个人都可确信自己所见的真实。然而，一旦那飞船减缓、驻足且逆向而行，原先的均衡即告破裂，他们的视线不再重叠。航行中的哥哥将惊见惨淡的真相飞速逼近：地球上的弟弟刹那间衰老不堪，对此，他们束手无策。