解读双生子佯谬,一个至今仍有人误解的相对论问题!


解读双生子佯谬,一个至今仍有人误解的相对论问题!


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解读双生子佯谬,一个至今仍有人误解的相对论问题!


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解读双生子佯谬,一个至今仍有人误解的相对论问题!


双生子佯谬 , 很多人都听说过 , 但并不是每个人都理解 , 不少人对双生子佯谬有误解 。
一对双胞胎兄弟 , 哥哥乘坐亚光速飞船离开地球 , 弟弟在地球上生活 , 那么当哥哥返回地球之后 , 两人谁更年轻呢?

因为哥哥在太空中高速飞行 , 根据狭义相对论中的时间膨胀原理 , 哥哥的时间变慢了 。 但是由于速度是相对的 , 在哥哥眼里 , 弟弟同样也在高速飞行 , 所以弟弟更年轻 。
那么到底谁更年轻呢?答案是:哥哥!
之所以会出现“哥哥和弟弟都认为自己更年轻”的结论 , 是因为哥哥和弟弟并不处在完全平等的参照系内 , 哥哥是非惯性系 , 而弟弟在惯性系内 , 狭义相对论的时间膨胀原理是建立惯性系基础上提出来的 。

而要对比哥哥和弟弟到底谁更年轻 , 两人必须处在同一参照系才有意义 , 否则对比两人谁更年轻就没有意义 。
也就是说 , “哥哥和弟弟都认为自己更年轻”其实是没有错的 , 他们两人都没有错 , 在两人眼里 , 自己确实更年轻 。 不过这种对比和结论并没有太大意义 , 因为他们都在以自己为参照系去衡量对方 。

说白了 , 两人都在用自己的时间 , 也就是“本征时间”来衡量彼此 。 就像你自己身上带着一个钟表 , 远在百亿光年之外的外星人同样有一个钟表 , 你们都有自己的时间 , 这时候对比你们时间的快慢是没有意义的 。
那么为何还要说哥哥更年轻呢?
由于哥哥在出发返回的过程中势必经过加速减速 , 也就是前面所说的非惯性系 , 而狭义相对论只适用于惯性系 , 所以用广义相对论解释会更简单方便 。
当然 , 也不是说狭义相对论就不能解释 , 只是比较麻烦 , 把哥哥加速减速的过程分割成无限多个过程 , 就可以看做无限多个惯性系 , 类似微分的概念 。
而用广义相对论就容易多了 , 由于在离开并返回地球的过程中 , 哥哥经过了加速和减速 , 也就是说哥哥经过了足够大的加速度 , 而弟弟并没有 。

根据广义相对论的等效原理 , 加速度与引力场是等效的 , 哥哥经过了加速度 , 相当于经过了强大的引力场 。 而强大的引力场会让时间变慢 , 就像在黑洞附近逗留一段时间 , 时间就会变慢一样 。
所以哥哥返回地球后会变得更年轻 。

【解读双生子佯谬,一个至今仍有人误解的相对论问题!】双生子佯谬并不仅仅是一个思想实验 , 现实中早就得到了验证 , 不过验证过程并不是真的让一对双胞胎进行实验 , 而是用非常精密的铯原子钟 , 把原子钟放到高速飞行的飞机上做环球旅行 , 实验结果与理论上的语言是一致的 。

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