互动科普

双生子佯谬

这个问题涉及到狭义相对论的两个基本推论，即两个相对匀速运动的物体（或者说“惯性参照系”）相互之间测量时会发生“尺缩”和“钟慢”效应。相对论的基本假设是光速不变原理，即同一束光无论在什么样的参照系测量都是每秒30万公里，而我们所谓的“看”都是通过光进行的，正由于这样，“尺缩”和“钟慢”效应是狭义相对论必然的结论。由于狭义相对论只适用于惯性系，也就是相互做匀速运动的参照系（我们常用飞船、地球等物体表示），参照系的运动是相对的，所以这些效应也都是相对的，A看到B的尺子在运动方向上缩短了，B看A的尺子也是一样地缩短。同样，时钟变慢也是相互的，A看B变慢，B看A也变慢。

但是在常用的“双胞胎旅行”的假设中，坐飞船旅行的弟弟回到地球后的确要比哥哥年轻了。“为什么坐飞船旅行的弟弟会变年轻”是狭义相对论无法解释的问题，因为狭义相对论所讨论的，只是惯性系的问题。在地球上的哥哥一直处在惯性系中，但弟弟飞出去再飞回来，就首先要加速再减速，整个行程不可能一直处在惯性系中，而弟弟变年轻的原因就出在非惯性系中。得出这个结论的理论推导很麻烦，但是我们可以根据广义相对论的结论加以说明。根据广义相对论，无论是在引力场中还是在非惯性系中（二者是等价的），时钟都会变慢，因此在精密计时中（如卫星定位）都需要考虑这个效应。也就是说，你到某个强引力场中待一段时间，或者在某个强离心机中待几年，就会变年轻一些。简单地说是这样的，实际过程非常复杂，比如地球引力的影响也要考虑在内。

（本文发表于《科学世界》2013年第4期）