双胞胎佯谬：光速飞船兄弟的奇异追逐

2023-11-05 理论教育版权反馈

【摘要】：在漆黑的宇宙中，有一对双胞胎，哥哥驾驶着一艘飞船，弟弟也驾驶着一艘飞船，他们分别朝着对方飞过去。双胞胎佯缪哈勒局长这是放了一个大招啊，爱因斯坦一下子也被问住了，这听上去好像确实是一件很奇怪的事情啊。上面这段对话虽然是虚构的，但双胞胎难题在科学史上却非常出名，还有一个专门的名词，叫“双胞胎佯谬”，曾经难倒了很多人。佯谬这个词念yáng miù。

还记得吗？我说过26岁的青年爱因斯坦提出了相对论，他发现时间和运动之间有着密不可分的关系，这是非常了不起的成就。但是，爱因斯坦自己却并不满意。为什么呢？因为，他发现自己的理论中竟然没有包括万有引力，这实在太不应该了。万有引力无处不在，时时刻刻影响着宇宙中的一切物体，他猜想，时间会不会也受到万有引力的影响呢？

他从直觉上觉得应该会，但是又理不出一个头绪来。当时的爱因斯坦是瑞士伯尔尼专利局的一位小职员，转机出现在某一天他和局长哈勒的一次对话中。（本故事为虚构）

哈勒：爱因斯坦，你是不是认为运动速度越快，时间就会变得越慢呢？

爱因斯坦：对，这确实是我的理论。

哈勒：我觉得你的这个观点是自相矛盾的。你不是喜欢做思想实验吗？那我也来做一个思想实验，你听好啦。在漆黑的宇宙中，有一对双胞胎，哥哥驾驶着一艘飞船，弟弟也驾驶着一艘飞船，他们分别朝着对方飞过去。在哥哥的眼中，弟弟的飞船开始是一个小亮点，然后越来越大，最后嗖地一下就从身边飞过去，一转眼就不见了。于是，根据你的相对论，弟弟的时间过得比哥哥的时间慢。是不是这样？

爱因斯坦：是呀。

哈勒：很好，我再来问你，那弟弟眼中看到的是什么？是不是也是看到哥哥的飞船开始是一个小亮点，然后越来越大，最后嗖地一下就从身边飞过去？那么，还是根据你的相对论，不是应该哥哥的时间过得比弟弟慢吗？爱因斯坦先生，我想问你，到底是哥哥的时间慢还是弟弟的时间慢了呢？如果你回答不上来，说明你的理论是错误的。

爱因斯坦和局长哈勒在探讨两艘飞船相遇时的时间相对性

爱因斯坦一愣，没想到局长在私底下也在思考这些奥妙的物理问题。这个思想实验确实对爱因斯坦的观点提出了挑战，让爱因斯坦思索了好几天。不过，最终还是没有难倒他。隔了几天，爱因斯坦是这样回答哈勒先生的。

爱因斯坦：局长，恐怕在您设想的那种情况下，在弟弟的眼中，哥哥的时间慢了，而在哥哥的眼中，弟弟的时间慢了，这并没有矛盾，事实上就是这样。

哈勒：哦？那你倒是说说看，为啥就不矛盾呢？

爱因斯坦：你想啊，哥哥和弟弟如何知道对方的时间呢？他们是不是必须通过发电报来对时呢？但是，您千万不要忘了，信号传送不是瞬时的，信号传送的极限速度是光速。因此，如果哥哥在12：00：00发出电报，我们可以肯定的是弟弟在听到嘀声时，哥哥的手表肯定是过了12点了。过了几秒钟，哥哥收到了弟弟的回信：“哥哥，我于12：00：05听见嘀声，当你听到我下面发出的嘀声时，正好是12：00：15。”哥哥听到嘀的一声后迅速记下了听到嘀声的时间是12：00：25。但是哥哥马上就会发现，靠这个时间无法证实自己的钟走得是比弟弟的慢还是快，还得扣除信号在中途传送的时间。于是，经过一番计算，他会惊讶地发现，信号传送的时间居然超过了5秒钟，也就是说，弟弟极有可能是在12：00：05才听到了嘀声，弟弟会自然地认为哥哥的表走慢了，但是扣除信号传送的时间后，哥哥仍然认为弟弟的表走得更慢。您听懂了吗，局长大人？

爱因斯坦的解释让哈勒一脸困惑(www.chuimin.cn)

哈勒：我可以给你发一个“晕”的表情吗？太复杂了，我已经完全听蒙了。

爱因斯坦：好吧，其实我只是想说，在以往我们完全不会考虑的信号传送时间居然在这个比对时间的实验中起到了决定性作用。再进一步计算，我们会发现，随着速度的增加，信号传送的时间总是要大于相对论效应拉慢的时间。也就是说，在这个游戏中，哥哥和弟弟完全处于对称的地位，一方的计算完全可以想象成是另一方的计算，最后如果你经过一番仔细的计算和论证，你会得出一个惊人的结论——尽管听上去很奇怪，但无论哥哥和弟弟用什么方法比对时间，他们都会得出同一个结论——那就是对方的时间变慢了。

哈勒生气地认为爱因斯坦在狡辩

没想到，爱因斯坦的这番回答，让哈勒先生更加生气了。

哈勒（生气地）：爱因斯坦先生，我觉得你这是在狡辩。要知道，随着时间的流逝，人是会长胡子的。时间过得越快的人，胡子就会长得越长。如果按照你的说法，岂不是哥哥看到弟弟的胡子更长了，弟弟看到哥哥的胡子更长了吗？真是荒谬！那么，好，我们让哥哥和弟弟两个人见面，比一比到底谁的胡子长，这总能比较出一个长短吧？我要您正面回答我，飞了一段时间，他们再见面后，到底是哥哥的胡子长还是弟弟的胡子长？

双胞胎佯缪

哈勒局长这是放了一个大招啊，爱因斯坦一下子也被问住了，这听上去好像确实是一件很奇怪的事情啊。

上面这段对话虽然是虚构的，但双胞胎难题在科学史上却非常出名，还有一个专门的名词，叫“双胞胎佯谬”，曾经难倒了很多人。佯谬这个词念yáng miù。佯，是佯装、伪装的意思，谬，是谬误、错误的意思，佯谬就是佯装是错误的，其实是正确的。

但这个谜案最终还是被爱因斯坦给破解了。他最终发现，在刚才的那个思想实验中，如果哥哥和弟弟想要见面，那么他们俩的地位就不会完全平等了。因为，要想见面，那就必然要有一个人先把飞船的速度降下来，然后，掉转船头，再加速追上另外一个人。这样一来，谁掉头去追另一个人，谁就会变得更年轻。哥哥和弟弟的胡子谁长谁短都是有可能的，关键是看谁减速再加速。如果是哥哥减速，掉头，再加速飞向弟弟，其实就是在飞向弟弟的未来，当哥哥追到弟弟的时候，弟弟已经比哥哥还要老了。

听上去非常神奇，但这却是千真万确的事实，这就是宇宙为我们制定的神圣法则。

我们只能去发现自然规律，无法改变自然规律。

双胞胎佯谬：光速飞船兄弟的奇异追逐

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