双生子佯谬(双生子佯谬中飞船以99%光速探访20光年以外的天体)

20世纪初，爱因斯坦伟大的狭义相对论横空出世，就引起了当时物理学界的轰动！因为狭义相对论的核心彻底颠覆了人们传统的时空观，时间和空间开始变得模糊起来！

不过，由于在20世纪之前的几百年时间里，牛顿的经典时空观早已经在人们心目中根深蒂固，影响力如此之大，以至于当时的物理学界很难接受狭义相对论这个极具颠覆性的理论。

任何新理论的出现，都必然会经受无数科学家们的质疑考验，然后才会被大众接受，科学家们犀利的眼光总是会对任何新理论“吹毛求疵”，这也是科学发展的必然，因为质疑才是推动科学进步的原动力，狭义相对论也不例外！

对于完全颠覆牛顿经典时空观的狭义相对论，一开始也经受了物理学界的质疑，比如说在相对论诞生后的第六年，就有人提出了这样的质疑，后来被称为“双生子佯谬”：

简单来讲是这样的：一对双胞胎兄弟，弟弟留在地球上，哥哥乘坐高速（亚光速）飞船离开地球进行太空旅行，飞行一段时间之后返回地球，那么当哥哥再次遇到弟弟时，谁更年轻呢？

按照狭义相对论的诠释，应该是哥哥更年轻，因为哥哥的一直在高速运动中，而狭义相对论表明“速度越快，时间就相对越慢！”

对于地球上的弟弟来讲，哥哥确实在亚光速飞行。但由于速度是相对的，对于飞船上的哥哥来说，地球上的弟弟也是在亚光速飞行。

言外之意，在弟弟眼里，哥哥的时间变慢了，哥哥更年轻。但在哥哥眼里，同样也会觉得弟弟的时间变慢了，弟弟会更年轻。

那么，哥哥和弟弟相遇时，到底谁更年轻呢？

这就是双生子佯谬看似矛盾的地方，也是核心所在。无论如何，只要哥哥返回地球，和弟弟再次相遇时，结果只可能有一种，要么哥哥年轻，要么弟弟年轻。

但实际上，这本不应该是一个问题，这种问题在狭义相对论诞生初期确实很容易让人产生误解，被问题本身带进死胡同，越陷越深。

但在狭义相对论诞生一百多年的今天，仍有人拿“双生子佯谬”质疑相对论，显然有点不应该了。所谓“佯谬”，不可能真的是悖论，事实上也确实如此。

简单讲，狭义相对论有一个重要前提：惯性系，也就是说狭义相对论的结论只适用于惯性系。而哥哥离开地球再返回地球的过程中必然会经过减速再加速的过程，这个过程不再属于惯性系，而是非惯性系，那么狭义相对论就不再适用，也就不可能出现看似矛盾的结果了。

如果非要用狭义相对论来诠释，也不是绝对不可以，不过相对来说比较复杂，需要把哥哥减速加速的过程进行“微积分”形式的分解，通俗来讲就是把减速加速过程分解成无数个匀速运动的过程，然后再做一个累积得到请全过程（其实就是积分），然后用洛伦兹变换相关公式进行计算，过程会比较复杂。

总之，不管用什么方法，得出的结果都是一致的：哥哥会变得比弟弟年轻。其实狭义相对论中时间膨胀的核心就是“同时的相对性”：两个事件在一个人眼里是同时发生的，在另一个眼里可能不是同时发生的。

用狭义相对论诠释“双生子佯谬”显得有些复杂，而用广义相对论来诠释就相对简单很多了。我们都知道，广义相对论中有一个等效原理：加速度与引力场是等效的。比如说，你乘坐一艘飞船以9.8的加速度垂直向上飞行，如果你闭上眼睛不观看飞船外的环境，你的感觉与静止在地面上没有任何区别，两者是等效的。

因为这种等效原理，飞船上的哥哥在返回地球的过程中势必会经历减速和加速过程，也就会有加速度，而且是很大的加速度。由于加速度与引力场等效，也就相当于哥哥在返回地球的过程中经历了很强的引力场，这种很强的引力场会产生时间膨胀效应（比如在黑洞附近时间就会变慢）。

简单地用世界线（也就是事件）来分析“双生子佯谬”，看下面的图：

弟弟的世界线是直线，因为弟弟在空间坐标里没有动，只有时间在流逝，所以弟弟的世界线是一条与时间轴平行的直线。而哥哥的世界线是曲线（图中哥哥的世界线并不一定非常准确，反正是曲线，能明白就行），因为哥哥的空间和时间坐标都发生了变化，而最后哥哥弟弟在地球重逢，双方的世界线肯定会重新相交于一点。

咋一看，应该是哥哥的世界线更长，毕竟哥哥的世界线是曲线。但不要用欧式几何的传统思维去思考这个问题，欧式几何只涉及空间，没有时间，而世界线是基于闵氏几何的时空图，包含时间和空间，闵氏几何里线段长度的计算公式是这样的：

这个公式简单明了，一下就能看出弟弟的世界线更长，因为对于弟弟来说Δx=0，而对于哥哥来说Δx>0！

再强调一点：欧式几何的背景是空间，而闵氏几何的背景是时空。欧式几何里，在任何参照系下空间间隔（也可以理解为长度）不会改变，而在闵氏几何里，时空间隔在任何参照系下也是不会改变的。

其实相对论没有大家想象的那么复杂。狭义和广义相对论都是分别建立在两个基本前提（假设）基础上提出来的，比如说狭义相对论中的“光速不变原理”，就是其中一个基本前提（假设）。

也就是说，“光速不变原理”其实就是假设，也可以认为是公理，不需要证明。就像“两点之间直线最短”一样，符合人们的认知，不需要证明，光速不变原理符合科学家们的实验观测结果。当然，光速不变原理绝不是随随便便就能做出的假设，不然爱因斯坦的相对论也不会如此伟大了！

所以，既然是假设的东西，就无所谓“对错”，或者说“你认为对就对，你认为错就错”，你完全有理由不相信相对论，不相信“光速不变原理”，甚至提出自己的假设建立自己的理论，但前提是你的假设和理论能比相对论更好地诠释大自然奥秘，不然别人有什么理由相信你呢？