通识物理：揭秘孪生子佯谬

自爱因斯坦提出狭义相对论后，人们尝试用狭义相对论解释各种物理现象，并对其所预言的特殊效应进行实验验证，其中比较有代表性的验证实验包括六个大类：（1）相对性原理的实验检验；（2）光速不变原理的实验检验；（3）时间膨胀实验；（4）缓慢运动媒质的电磁现象实验；（5）相对论力学实验；（6）光子静止质量上限实验等。由于这些验证实验都先后取得了成功，狭义相对论也因此被人奉为经典。但是谁也没有想到，这个看似完美的新理论很快就遇到了一个大麻烦——孪生子佯谬！而这个麻烦的制造者就是爱因斯坦本人。

孪生子佯谬起源于爱因斯坦第一篇关于狭义相对论的论文《运动物体的电动力学》。论文中，爱因斯坦举了一个有趣的例子：如图8.19 所示，他假设地球上一对孪生兄弟中的哥哥乘坐接近光速飞行的飞船去做星际旅行，而弟弟则一直待在地球上。由于狭义相对论的时间延缓效应，所以哥哥在飞船中的时间会走得很慢，而弟弟在地球上的时间仍然正常流逝。多年后，当哥哥乘坐飞船返回地球时，会发现弟弟已经很老了，而自己由于时间延缓效应，竟然比弟弟还要年轻。那么，这个现象是否真的会发生呢？对此，爱因斯坦凭直觉的判断是“能”，但当时他自己也并不能说清这是为什么。不过人们很快发现了这个问题的漏洞，因为根据狭义相对论，物体的运动是相对的，既然在地球上“静止”的弟弟可以认为飞船上的哥哥是运动的，那么反过来，飞船上的哥哥也可以认为自己是“静止”的，反而是地球和弟弟在一起以接近光速的速度“离开”。如果可以这样理解，那当两人再次相遇时，必然会出现哥哥比弟弟要老很多的场景。在狭义相对论的范畴来看，这两种看似矛盾的理解竟然都是完全“合理”的，但真相显然只有一个，究竟哪种理解才是正确的呢？这个矛盾问题就是“孪生子佯谬”中的“谬（错误、谬论）”，可为什么又是“佯（假的）”的“谬”呢？原来，为了证实这个效应，科学家们在1971年将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东绕地球一周后，回到原处，结果发现这只铯原子钟比静止在地面上的同样的钟慢了59纳秒，这个实验结果清楚地表明：在“孪生子佯谬”中，相对年轻的只能是进行星际旅行的哥哥，所以前面看似存在矛盾的“谬”又变成“假的”了，也就是“佯”，这就是著名的“孪生子佯谬”的来历。

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图8.19　孪生子佯谬

虽然科学家们通过科学实验已经证实了飞船上哥哥的时间过得较慢，而爱因斯坦根据“直觉”也这么认为，但怎样才能解释“孪生子佯谬”呢？针对这个问题，爱因斯坦通过深入思考，再次做出了伟大的理论发现。原来，“孪生子佯谬”实际上并不存在，狭义相对论是关于惯性系的时空理论，虽然弟弟所在的地球可以看作相对“静止”，但哥哥的飞船由于有加速和减速过程一定不属于惯性系，所以狭义相对论的“时间延缓效应”并不能解释飞船上“时间变慢”的现象。但巧合的是，飞船上的时间又确实变慢了，如果与“时间延缓”效应无关，那么应该是什么原因呢？对此，爱因斯坦的理解是：“飞船上的哥哥由于加速和减速过程必然在一段时间内具有加速度，而具有加速度的物体又可以等效为受到引力（见下一节的“等效原理”），正是引力（加速度）导致了飞船上时间的延缓（“广义相对论”的两个核心结论之一）！”这样一来，佯谬就彻底解除了。显而易见，爱因斯坦在这段解释中所应用的理论突破了狭义相对论关于“惯性系”的限制，已经属于广义相对论关于“非惯性系”的讨论范畴了。所以说，从现在的观点来看，“孪生子佯谬”真是一个伟大的命题，其不仅解决了狭义相对论验证实验的最后一个难题，而且还间接启发爱因斯坦提出了“广义相对论”的新体系，其无论是提出过程抑或解决结果都非常令人难忘。