| 周金月 刻 愛因斯坦的狹義相對論自1905年誕生之日起就廣受質疑，其中有一個著名的推論——時間膨脹效應，意思是說，物體運動會使時間變慢。當物體低速運動時，這一效應并不明顯，而如果物體的速度接近光速，這一效應就變得相當明顯了。 1911年4月，法國物理學家朗之萬提出了一個雙生子實驗（當然只是理想中的實驗），用以質疑狹義相對論的時間膨脹效應。他說，假設有一對剛出生的雙胞胎兄弟，哥哥乘坐宇宙飛船在太空中以接近光速行駛，弟弟留在地球上。哥哥回到地球時是兩歲，而他的弟弟卻早已去世了，因為地球上已經過了二百年。這就是著名的“雙生子佯謬”。 根據愛因斯坦的狹義相對論，運動可以使時間變慢，哥哥理應年輕，上面的實驗沒什么問題啊。這個解釋是正確的，但是解釋得并不那么令人信服。 且來看看大家對這個解釋的質疑：我們從另一個角度思考這個問題，哥哥在飛行過程中，會看到弟弟以接近光速的速度離開自己。什么意思呢？哥哥以自己為參照系的話，會感覺自己不動，而弟弟卻正在以接近光速的速度遠離自己。這可好玩了，在哥哥看來，我沒動啊，動的是弟弟。剛才說了，運動使時間變慢，弟弟的時間變慢了。按照這樣理解，兩年后哥哥返回地球，理應看到弟弟比自己小很多，怎么會已經去世了呢？ 單從參照系的角度來說，上面的這個質疑沒有問題。不過，這時候有人站出來說：這個質疑不對，它沒有考慮到加速問題，弟弟在地球上并沒有動，而哥哥在起始和掉頭階段都經歷了加速或減速運動，是這個加速或減速運動使得哥哥的時間變慢的。這個解釋有個很嚴重的問題——加速度確實可以使時間變慢，但那屬于廣義相對論的范疇，并不是這個“雙生子佯謬”中時間膨脹效應的主要來源。 其實，要真正解釋“雙生子佯謬”的問題，還得引入“世界線”這個概念。 世界線的概念也是由愛因斯坦提出的，大意是這樣的：時空是四維的，即三維空間加一維時間，處于這個時空的粒子在某一時刻只能處于一個位置點，而粒子的整個運動歷史是所有位置點組成的一條線。 在宇宙中，地球可以近似看做慣性系，如果哥哥和弟弟都在地球上，他們的世界線應該是重合的，即無加速度的世界線。如果哥哥經歷了加速度，那么加速度會讓他脫離原來的世界線而進入另一條世界線，而此時弟弟還在原來的世界線上。這樣，哥哥在新的世界線上運動，且速度增加了，其時間流逝的速度也就比原來慢了，哥哥在這條新的世界線上待的時間越長，它和弟弟的時間差就越大。如此一來，“雙生子佯謬”的問題就解釋得很清楚了。 |
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