深層解讀“雙生子佯謬”，它真的能推翻相對論？你想多了！

20世紀初，愛因斯坦偉大的狹義相對論橫空出世，就引起了當時物理學界的轟動！因為狹義相對論的核心徹底顛覆了人們傳統的時空觀，時間和空間開始變得模糊起來！

不過，由於在20世紀之前的幾百年時間裡，牛頓的經典時空觀早已經在人們心目中根深蒂固，影響力如此之大，以至於當時的物理學界很難接受狹義相對論這個極具顛覆性的理論。

任何新理論的出現，都必然會經受無數科學家們的質疑考驗，然後才會被大眾接受，科學家們犀利的眼光總是會對任何新理論“吹毛求疵”，這也是科學發展的必然，因為質疑才是推動科學進步的原動力，狹義相對論也不例外！

對於完全顛覆牛頓經典時空觀的狹義相對論，一開始也經受了物理學界的質疑，比如說在相對論誕生後的第六年，就有人提出了這樣的質疑，後來被稱為“雙生子佯謬”：

簡單來講是這樣的：一對雙胞胎兄弟，弟弟留在地球上，哥哥乘坐高速（亞光速）飛船離開地球進行太空旅行，飛行一段時間之後返回地球，那麼當哥哥再次遇到弟弟時，誰更年輕呢？

按照狹義相對論的詮釋，應該是哥哥更年輕，因為哥哥的一直在高速運動中，而狹義相對論表明“速度越快，時間就相對越慢！”

對於地球上的弟弟來講，哥哥確實在亞光速飛行。但由於速度是相對的，對於飛船上的哥哥來說，地球上的弟弟也是在亞光速飛行。

言外之意，在弟弟眼裡，哥哥的時間變慢了，哥哥更年輕。但在哥哥眼裡，同樣也會覺得弟弟的時間變慢了，弟弟會更年輕。

那麼，哥哥和弟弟相遇時，到底誰更年輕呢？

這就是雙生子佯謬看似矛盾的地方，也是核心所在。無論如何，只要哥哥返回地球，和弟弟再次相遇時，結果只可能有一種，要麼哥哥年輕，要麼弟弟年輕。

但實際上，這本不應該是一個問題，這種問題在狹義相對論誕生初期確實很容易讓人產生誤解，被問題本身帶進死衚衕，越陷越深。

但在狹義相對論誕生一百多年的今天，仍有人拿“雙生子佯謬”質疑相對論，顯然有點不應該了。所謂“佯謬”，不可能真的是悖論，事實上也確實如此。

簡單講，狹義相對論有一個重要前提：慣性系，也就是說狹義相對論的結論只適用於慣性系。而哥哥離開地球再返回地球的過程中必然會經過減速再加速的過程，這個過程不再屬於慣性系，而是非慣性系，那麼狹義相對論就不再適用，也就不可能出現看似矛盾的結果了。

如果非要用狹義相對論來詮釋，也不是絕對不可以，不過相對來說比較複雜，需要把哥哥減速加速的過程進行“微積分”形式的分解，通俗來講就是把減速加速過程分解成無數個勻速運動的過程，然後再做一個累積得到請全過程（其實就是積分），然後用洛倫茲變換相關公式進行計算，過程會比較複雜。

總之，不管用什麼方法，得出的結果都是一致的：哥哥會變得比弟弟年輕。其實狹義相對論中時間膨脹的核心就是“同時的相對性”：兩個事件在一個人眼裡是同時發生的，在另一個眼裡可能不是同時發生的。

用狹義相對論詮釋“雙生子佯謬”顯得有些複雜，而用廣義相對論來詮釋就相對簡單很多了。我們都知道，廣義相對論中有一個等效原理：加速度與引力場是等效的。比如說，你乘坐一艘飛船以9。8的加速度垂直向上飛行，如果你閉上眼睛不觀看飛船外的環境，你的感覺與靜止在地面上沒有任何區別，兩者是等效的。

因為這種等效原理，飛船上的哥哥在返回地球的過程中勢必會經歷減速和加速過程，也就會有加速度，而且是很大的加速度。由於加速度與引力場等效，也就相當於哥哥在返回地球的過程中經歷了很強的引力場，這種很強的引力場會產生時間膨脹效應（比如在黑洞附近時間就會變慢）。

簡單地用世界線（也就是事件）來分析“雙生子佯謬”，看下面的圖：

弟弟的世界線是直線，因為弟弟在空間座標裡沒有動，只有時間在流逝，所以弟弟的世界線是一條與時間軸平行的直線。而哥哥的世界線是曲線（圖中哥哥的世界線並不一定非常準確，反正是曲線，能明白就行），因為哥哥的空間和時間座標都發生了變化，而最後哥哥弟弟在地球重逢，雙方的世界線肯定會重新相交於一點。

咋一看，應該是哥哥的世界線更長，畢竟哥哥的世界線是曲線。但不要用歐式幾何的傳統思維去思考這個問題，歐式幾何只涉及空間，沒有時間，而世界線是基於閔氏幾何的時空圖，包含時間和空間，閔氏幾何裡線段長度的計算公式是這樣的：

這個公式簡單明瞭，一下就能看出弟弟的世界線更長，因為對於弟弟來說Δx=0，而對於哥哥來說Δx>0！

再強調一點：歐式幾何的背景是空間，而閔氏幾何的背景是時空。歐式幾何裡，在任何參照系下空間間隔（也可以理解為長度）不會改變，而在閔氏幾何裡，時空間隔在任何參照系下也是不會改變的。

其實相對論沒有大家想象的那麼複雜。狹義和廣義相對論都是分別建立在兩個基本前提（假設）基礎上提出來的，比如說狹義相對論中的“光速不變原理”，就是其中一個基本前提（假設）。

也就是說，“光速不變原理”其實就是假設，也可以認為是公理，不需要證明。就像“兩點之間直線最短”一樣，符合人們的認知，不需要證明，光速不變原理符合科學家們的實驗觀測結果。當然，光速不變原理絕不是隨隨便便就能做出的假設，不然愛因斯坦的相對論也不會如此偉大了！

所以，既然是假設的東西，就無所謂“對錯”，或者說“你認為對就對，你認為錯就錯”，你完全有理由不相信相對論，不相信“光速不變原理”，甚至提出自己的假設建立自己的理論，但前提是你的假設和理論能比相對論更好地詮釋大自然奧秘，不然別人有什麼理由相信你呢？