周金月 刻
愛因斯坦的狹義相對(duì)論自1905年誕生之日起就廣受質(zhì)疑，其中有一個(gè)著名的推論——時(shí)間膨脹效應(yīng)，意思是說，物體運(yùn)動(dòng)會(huì)使時(shí)間變慢。當(dāng)物體低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這一效應(yīng)并不明顯，而如果物體的速度接近光速，這一效應(yīng)就變得相當(dāng)明顯了。
1911年4月，法國(guó)物理學(xué)家朗之萬提出了一個(gè)雙生子實(shí)驗(yàn)（當(dāng)然只是理想中的實(shí)驗(yàn)），用以質(zhì)疑狹義相對(duì)論的時(shí)間膨脹效應(yīng)。他說，假設(shè)有一對(duì)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(shí)是兩歲，而他的弟弟卻早已去世了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)過了二百年。這就是著名的“雙生子佯謬”。
根據(jù)愛因斯坦的狹義相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)可以使時(shí)間變慢，哥哥理應(yīng)年輕，上面的實(shí)驗(yàn)沒什么問題啊。這個(gè)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(duì)這個(gè)解釋的質(zhì)疑：我們從另一個(gè)角度思考這個(gè)問題，哥哥在飛行過程中，會(huì)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(huì)感覺自己不動(dòng)，而弟弟卻正在以接近光速的速度遠(yuǎn)離自己。這可好玩了，在哥哥看來，我沒動(dòng)啊，動(dòng)的是弟弟。剛才說了，運(yùn)動(dòng)使時(shí)間變慢，弟弟的時(shí)間變慢了。按照這樣理解，兩年后哥哥返回地球，理應(yīng)看到弟弟比自己小很多，怎么會(huì)已經(jīng)去世了呢？
單從參照系的角度來說，上面的這個(gè)質(zhì)疑沒有問題。不過，這時(shí)候有人站出來說：這個(gè)質(zhì)疑不對(duì)，它沒有考慮到加速問題，弟弟在地球上并沒有動(dòng)，而哥哥在起始和掉頭階段都經(jīng)歷了加速或減速運(yùn)動(dòng)，是這個(gè)加速或減速運(yùn)動(dòng)使得哥哥的時(shí)間變慢的。這個(gè)解釋有個(gè)很嚴(yán)重的問題——加速度確實(shí)可以使時(shí)間變慢，但那屬于廣義相對(duì)論的范疇，并不是這個(gè)“雙生子佯謬”中時(shí)間膨脹效應(yīng)的主要來源。
其實(shí)，要真正解釋“雙生子佯謬”的問題，還得引入“世界線”這個(gè)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(shí)空是四維的，即三維空間加一維時(shí)間，處于這個(gè)時(shí)空的粒子在某一時(shí)刻只能處于一個(gè)位置點(diǎn)，而粒子的整個(gè)運(yùn)動(dòng)歷史是所有位置點(diǎn)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(yīng)該是重合的，即無加速度的世界線。如果哥哥經(jīng)歷了加速度，那么加速度會(huì)讓他脫離原來的世界線而進(jìn)入另一條世界線，而此時(shí)弟弟還在原來的世界線上。這樣，哥哥在新的世界線上運(yùn)動(dòng)，且速度增加了，其時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，它和弟弟的時(shí)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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