愛因斯坦在1905提出了狹義相對論，6年後的1911年，法國物理學家郎之萬在意大利召開博洛尼亞大學召開的第四屆世界哲學大會上提出了這麼個問題：假設有一對雙胞胎兄弟，弟弟呆在地球上不動，哥哥開着接近光速的飛船去宇宙裡浪了一圈再回來。按照狹義相對論，運動的物體時間過得更慢，所以從地球上來看，顯然是高速運動的哥哥時間過得更慢，那麼等哥哥回到地球的時候，哥哥應該比弟弟更年輕。

所謂悖論，就是命題中隐含着兩個對立的結論。

1. 什麼是雙生子悖論？

狹義相對論中最著名的悖論，要數雙生子悖論，也叫雙生子佯謬（The Twin Paradox），同樣是一個思維實驗。

1.1 哥哥比弟弟年輕

假如有一對雙胞胎兄弟，哥哥坐着一艘宇宙飛船，以接近光速的速度去太空裡轉了一圈，又回到地球上，而弟弟一直在地球上待着。問飛船回來以後，兄弟倆誰的年紀更大一些？

根據鐘慢效應，由于哥哥的運動速度非常快，所以在弟弟看來，哥哥的時間流逝速度非常慢。這樣等哥哥回來後，弟弟經曆的時間更長，所以哥哥反而比弟弟年輕，哥哥就變成了弟弟，弟弟變成了哥哥。

1.2 弟弟比哥哥年輕

這樣一個推論看似沒有什麼問題，但是這裡面隐含着嚴重的邏輯矛盾。

雖然是哥哥坐着宇宙飛船去宇宙裡轉了一圈。但是在哥哥看來，何嘗不是弟弟在地球上，地球相對于哥哥坐的宇宙飛船，也以接近光速的速度轉了一圈。

因為運動完全是相對的，無論是哥哥還是弟弟，都會覺得自己是不動的，是對方在運動。

所以對于哥哥來說，應該是弟弟的時間流逝速度更慢。當自己回地球以後，哥哥應該更加年老，哥哥還是哥哥，弟弟還是弟弟。

1.3 生活中的相對運動

相信你一定坐過高鐵，不知道你有沒有過這樣的感受。

當你坐在高鐵上，車還沒有開動，在你坐的高鐵旁邊還有另外一列高鐵。如果你望向窗外，發現對面的高鐵開動了，這個時候你很有可能會産生錯覺，你無法判斷到底是對面的高鐵開了，還是自己的高鐵開了。

因為運動完全是相對的，你隻能判斷對面的高鐵相對于你運動了。至于到底是你所乘坐的高鐵開動了，還是對面的高鐵開動了，你是無法判斷的。

1.4 狹義相對論錯了嗎？

同理，在宇宙飛船的思想實驗中，如果哥哥和弟弟不知道自己具體是在地球上還是在宇宙飛船上，隻能看到對方的相對運動的話，就會産生鐘慢效應的悖論。

也就是對于哥哥來說，弟弟更年輕了，而對于弟弟來說，哥哥也更年輕了，那麼究竟是誰更年輕了呢？

但是很顯然，一件事不會有兩個結果。真要做這麼一個實驗的話，最終要麼是哥哥更年輕，要麼是弟弟更年輕。如果折中一下，兩個人的時間流逝還是一樣的話，那鐘慢效應的推論不就破潰了嗎？

2. 考慮整個加速的過程

2.1 狹義相對論的适用範圍

與前兩節的結論類似，狹義相對論的研究對象隻能是做勻速直線運動的物體，不考有加速度的情況。加速度也屬于廣義相對論的讨論範疇。

2.2 雙生子佯謬的邏輯跳環

如果真的分析一下這個思維實驗，就會發現我們在邏輯上有一個巨大的跳環。

一開始，哥哥和弟弟都在地球上，兩個人是相對靜止的。之後哥哥坐上了宇宙飛船，宇宙飛船一路加速到接近光速，哥哥實實在在的經曆了一個加速過程。

但是之前已經說了，狹義相對論隻讨論勻速直線運動的情況，不考慮加速的情況。因此在分析這個問題的時候，不能隻在狹義相對論的框架下來讨論，也必須要借助廣義相對論。

2.3 狹義相對論并未破潰

其實仔細想一下就會發現，雙生子悖論會遇到困難， 是因為哥哥最終要回到地球跟弟弟見面。這一見面，就會有誰更年輕的問題。

但是如果哥哥飛出去以後，一直不回地球的話，即便在哥哥看來，弟弟流逝的時間更慢，在弟弟看來，哥哥的時間流逝也更慢，這本身是沒有矛盾的。

隻要不存在最後哥哥回到地球與弟弟見面的環節，哥哥和弟弟各自的時間在自己看來都是正常的。而對于對方來說，隻要沒有驗證的環節，狹義相對論就不會破潰。

2.4 雙生子思維實驗的驗證

下面來看一個具體的例子。假設哥哥的飛行速度快到剛好使得弟弟看哥哥時間流逝的速度，是弟弟的十分之一，這個速度是非常接近光速的。根據相對運動，哥哥看弟弟的時間流逝速度也應該是自己的十分之一。哥哥出發的時候，兩個人都是二十歲。

當弟弟看自己的時間過了一年的時候，他給哥哥發了一條信息，說：哥哥，我這裡已經過了一年了，我現在21歲了。然而在哥哥看來，由于弟弟的時間過得非常慢，弟弟在發出這條信息的時候，哥哥自己已經過了十年了。

并且對于哥哥來說，這十年間自己是以接近光速的速度在飛行的，所以弟弟發信時，哥哥離地球的距離大概是十光年左右。

而這條信息從發出到被哥哥接收到，又要花個十年左右。因為根據光速不變原理，這條信息要以光速跨越十光年的空間距離追上自己。所以當哥哥收到信息的時候，自己已經過了20年了。

哥哥收到信息後馬上給弟弟回信，說：弟弟，我已經40歲了。其實這個時候哥哥可以推算出，弟弟應該是22歲。

但是在弟弟看來，整個過程就不是這樣了。由于弟弟發信的時候自己隻過了一年，所以哥哥離自己也隻有一光年遠，信息隻需要追一光年的距離。

但是在信息追趕哥哥的過程中，哥哥還在繼續以略低于光速的速度遠離。所以弟弟會覺得信息追趕哥哥的速度非常慢。等哥哥收到這條信息的時候，弟弟這裡已經過了遠遠超過20年的時間，與哥哥之間的距離也遠遠超過20光年。

還是根據光速不變原理，哥哥的回信在弟弟看來要以光速跨越這段很長的距離，還需要經過很長時間才能傳到弟弟手中，而在回信中哥哥聲稱自己隻有40歲。

這樣一來就沒有矛盾了。無論是哥哥還是弟弟，收到對方的信息後再跟自己現在的時間進行比較，都會發現從信息上看來，對方比自己年輕了。狹義相對論的鐘慢效應對雙方來說都是成立的。

3. 到底誰更年輕？

上面的分析仍然是在狹義相對論的範圍内讨論問題。如果運用廣義相對論，真的讓哥哥返回地球跟弟弟見面，到底誰會更年輕呢？答案是哥哥，因為哥哥會經曆速度改變的過程。

在廣義相對論中，經曆加速或減速的過程同樣會使時間的流逝速度變慢。哥哥要想完成星際旅行，必須先加速，運動到最遠處減速停下來，然後返航的過程再經曆一次先加速後減速的過程。

根據廣義相對論，哥哥完成這一系列動作，時間流逝一定是更慢的。

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