《孪生子悖论》：哥哥和弟弟，究竟哪个更年轻？

            

物理学界四大神兽：芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、麦克斯韦的精灵与薛定谔的猫齐登场。

这是【十大悖论】第 08 篇文章

这篇，需要对相对论中“时钟变慢效应”有所了解。

我们假设有两个孪生兄弟，大柱子和二栓子，都是如花似玉的20岁年纪。某一天，哥哥大柱子准备坐着宇宙飞船去旅行，他用了一年的时间，以接近光速的速度出门跑了一趟，回到了地球。此时，大柱子发现，他在生理上老了1岁，也感受到1年过去了，而且宇宙飞船上的所有时钟与计时装置都显示他离开地球正好满1年。

在二栓子眼里，哥哥大柱子驾驶飞船以接近光速飞出去的时候，根据爱因斯坦的狭义相对论，二栓子会发现大柱子的动作越来越迟缓，也就是说，大柱子的时间变慢了。因此，对于飞船内大柱子一年的旅行，在二栓子看来可能会历时十年。事实上，当大柱子回到地球上之后，发现二栓子的确是比自己老，自己过了一年，21岁，而二栓子过了十年，已经30岁了。

上面的一年与十年之间的单位换算，我是随便举例的，因为实际上，大柱子和二栓子之间的时间差可能会更多，但这种效应是确实存在的，也就是相对论中的“时钟变慢”，一个人运动速度越接近光速，那么在外界看来，他的时间会变慢。

以上都没什么问题吧，可是相对论中的悖论就奇特在这，我们只要换一个视角就能发现问题所在，因为运动是相对的。对二栓子而言，哥哥大柱子与飞船是高速运动，而后回来。但是对大柱子而言，何尝不是自己与飞船静止不动，而是弟弟二栓子和地球高速远离他而后又回来呢？

这样的话，在大柱子眼里，二栓子和地球的时间变得越来越慢，等到自己与弟弟再次见面的时候，应该是弟弟和地球这边只过了一年，而自己却过了十年。

我们不妨将其中的一些关键点列出来，也方便理解：

事件A：哥哥和弟弟还没分离之前

大柱子眼里：自己20岁，二栓子20岁。

二栓子眼里：自己20岁，大柱子20岁。

事件B：哥哥与飞船出去以光速浪了一圈后回来（其实和“弟弟与地球出去以光速浪了一圈后回来”等效）（这里说的等效，是指“运动是相对的”）

大柱子眼里：自己21岁，二栓子30岁。

二栓子眼里：自己21岁，大柱子30岁。

发现问题没，根据“时钟变慢效应”和“运动总是相对的”这两条基本物理原理出发，我们自然就会得出这样的悖论。难道说，相对论又错了？

不不不！已经有很多实验证明了相对论的正确，至少时钟变慢效应和尺缩效应已经被观测到是确实存在的。

那么，问题又出在哪了呢？

出在惯性系。

不卖关子了，直接告诉你答案，二栓子错了，大柱子是对的。

我们首先注意到，他们两个人所面对的情况并非完全对称。大柱子必须加速才能离开地球。如果他沿着直线航行，就必须减速、回转、再加速，最后到达地球时还需要减速降落。相反地，二栓子则全程保持等速。即使大柱子沿着圆形路径航行，得以维持等速率，但由于他的方向一直在改变，还是能感受到加速度的作用。因此，这对挛生兄弟的相对运动并不完全对称：大柱子感受得到他的旅程所带来的效应，而二栓子仍待在缓慢旋转的地球。

破解这道悖论的关键，其实还在于爱因斯坦的《广义相对论》中，爱因斯坦认为，引力并不是一种力，而是一种加速效果，加速度与引力是等效的。这也就是说，一个加速参考系中的物理规律，和一个处在同等引力场里的参考系中的物理规律，是完全一样的。

我们分别来看大柱子与二栓子的运动过程：

大柱子：加速-匀速-减速-掉头-加速-匀速-减速

二栓子：匀速-匀速-匀速-匀速-匀速-匀速-匀速（这里的匀速是指匀速率，因为地球旋转的方向一直在变化，而速度是矢量，与运动方向有关，如果运动方向一直在变，那么速度也会一直在变，而速率是标量，与运动方向与关。如果你能接收大柱子在加速直线运动的过程中不会撞上小行星，那你也应该能接受在这里我们假设地球是在匀速旋转）

发现了吗？两者的惯性系是不同的，二栓子一直处于一个稳定的惯性系中，而大柱子的惯性系随着加速与减速的变化而变化。

大柱子之所以看上去比二栓子年轻，是因为承受加速与减速的人是他。无论旅程是否直线往返，根据广义相对论预测，加速与减速期间他的时间会走得比较慢。事实上，如果循着“之”字形路线飞行，当他变换方向愈多次，所需承受加速和减速的时间就愈长，旅程经历的时间也就愈短。

就此，双生子悖论被《广义相对论》破掉了，这个悖论终究是不存在的，因为大柱子和二栓子穿越时空的“旅程”是不对称的。

可是，好玩的事情出现了。

既然大柱子是对的，也就是说，他出去浪一圈回来，自己经历了一年，而地球却经历了十年。我们以2020年为例，比如在这一年，大柱子出去浪了，过了一年，他的生理年龄也就过了一年，而当他回来的时候，他岂不是发现，地球上已经是2030年了？

我们再假设，以10:1的比例类推（实际情况要比这个比例大得多），大柱子出去浪十年回来，他出去的时候20岁，回来的时候30岁，而地球上，却从2020年前进到了2120年？

这岂不是说，大柱子穿越了时空，进入了未来？

的确，根据相对论的预测，大柱子确实可以通过这种方式进入未来，只不过，问题也来了，如果他发现2120年比2020年更糟糕，可能，他也就没法回到2020年了。

而且，真是如此的话，大柱子回到地球上之后，他会发现，曾经亲朋好友的坟头草都已经两丈高了，这样的未来，真的是他想要的吗？

所以，珍视当下吧，珍视现在陪伴在你身边的人，比什么都重要。

         

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