相对论（9）双生子效应，到底是谁的时间变慢了？
相对论（9）双生子效应，到底是谁的时间变慢了？
06月30日 · 优质科学领域创作者
1905年，这一年爱因斯坦连发5篇论文，其中就有《论动体的电动力学》，在这篇论文中爱因斯坦首先给出了两条基本假设，光速不变原理以及相对性原理。
根据这两条原理，爱因斯坦推出了同时的相对性，洛伦兹变换，时间膨胀效应，尺缩效应，给出了新的速度合成公式。让人们对时间和空间有了新的认识。
在同年的爱因斯坦又补发了最后一篇简短的论文，在这篇论文中，爱因斯坦给出了质速公式，解决了超光速的问题，同时也写出了那个著名的质能公式。
表明了，质量只是能量的一种表现形式，让人们对能量有了一个全新的认识。至此狭义相对论完成，它调和了经典力学和电磁学之间的矛盾。
但是狭义相对论的发表，并没有让爱因斯坦名声大噪，充其量是让更多的人认识到了这个在专利局上班的三级技术员。
原因是，爱因斯坦也承认狭义相对论的所有思想都是总结前人的成功，没有多少原创思想，充其量是他富有了这些数学公式新的物理意义而已。
其次是，狭义相对论所说的所有效应，在当时都无法验证，感觉跟我们的生活没有任何关系。
最后就是狭义相对论中的某些思想，在当时并不被人们理解。因为太过抽象。
比如时间膨胀效应，人们认为运动都是相对的，你相对于我运动，我看到你的时间变慢，而你也可以认为你是静止的，我在相对于你运动，你看到我的时间变慢，这种相互之间等价的效应，实际上没有任何真实的效果。
而在爱因斯坦的论文中，这确是真实的效果。确实会发生两个参照系时间流逝速度不同的情况。
其实这并不是普通人的疑问，而是1911年4月的波隆哲学大会上，由朗之万提出的一个佯谬，叫双生子佯谬。
这个问题在当年就被爱因斯坦解决了，并不是实际情况与理论相违背，而是朗之万并没有理解相对论，所以现在叫双生子佯谬并不合适，应该叫双生子效应。
双生子效应是这样的，有甲乙两个双胞胎兄弟，现在让甲待在地球上，乙乘坐宇宙飞船以接近光速的速度太空旅行，然后返回地球，当他回到地球的时候就会发现，自己比甲年轻。
因为光速旅行的时间会变慢，如果是以0.9999C旅行的话，那么相对论因子大约为70，也就是说，飞船上的1年等于地球上的70年。
当甲乙两人分开的时候是20岁，那么等乙返回的时候，就会发现自己才21岁，而甲都变成了一个90岁的老头了。
但是别忘了，运动是相对的，地球上的甲可以认为自己比乙年轻，因为在他看来，完全可以认为乙没有动，而是自己朝着相反的方向旅行了一圈，然后回来，因此他会认为自己比乙年轻。
这两个结论明显互相矛盾，那么谁对谁错？到底是甲年轻，还是乙年轻？
谁对谁错，这个问题其实很简单，我们知道狭义相对论的中时间膨胀效应只在惯性系中等效，这是狭义相对论的前提，惯性系中物理定律保持不变。如果我们两个相对做惯性运动，那你可以认为我的时间变慢，我也可以认为你的时间变慢。
但是只要有一方偏离了惯性系，那么这个效应就不再是等价的，做非惯性运动的人，也就是做变速运动的人相对于惯性系中的人，他的时间变慢效应是真实的。
那么问题是，甲和乙谁经历了非惯性运动？
你可能会认为是乙，因为他坐飞船离开地球的时候，先加速到了0.9999C，然后以这个速度匀速飞行，当他返回地球的时候，势必要减速到0，然后又朝着地球在加速到0.9999C，很明显乙在做非惯性运动。
但是甲何尝不认为是乙不动，自己在加速远离，然后加速返回的。这个问题没法解决了？其实不然，别忘了我们是如何定义惯性系的。
相对于孤立质点静止，或做匀速直线运动的参照系，就称为惯性系。掌握了这一点之后，我们重新思考下双生子实验。
在宇宙中，我们可以把一颗流浪行星比作一个孤立质点，它漂浮在浩渺的宇宙空间中，不与任何物质发生相互作用，它的运动状态就可以看作是一个完美的惯性系（静止或直线运动）。
现在我们的地球相对于这个流浪行星是静止的，那么我们的地球也是一个完美的惯性系，现在我们让乙乘坐飞船经历加速，减速，再加速返回地球，那么乙会认为自然经历了变速运动，自己时间变慢更年轻。
此时甲就不能认为是乙没有动，是自己做了变速运动，因为现在有了一个绝对完美的惯性系，流浪行星作为参考系，很明显甲一直相对于流浪行星在做惯性运动，它并没有经历非惯性运动，而乙的惯性运动是真实的，因为它真的相对于流浪行星在做非惯性运动。
所以乙认为自己比地球上的甲年轻是正确的，因为他真实的偏离了惯性运动。因此双生子佯谬并不是一个佯谬，而是一个真实的效应，很早都在狭义相对论的基础上得到了解决。
当然解决解释双生子效应的办法还有很多，我说的这个最为简单，也更偏向科普。虽然利用闵氏时空图更加直观一些，但是我们这些门外汉看起来还是略显复杂。
相信细心的你，已经发现了这样一个问题，在相对论中，处在不同的运动状态的人，都有自己独立的时间和空间，并且对时间流逝速度的感受以及空间的测量会获得不同的结果。
但是两个处在惯性运动状态的人，相对论效应是等价的，因此这些效应会相互抵消，比如时间膨胀效应，你认为我慢，我又认为你慢，结果是我们俩之间的时间流逝速度一样。
经过很长时间的相对运动，你不可能比我年轻，我也不可能比你年轻。
但是当你处在非惯性运动的时候，你相对于惯性运动的观察者来说，你的时间膨胀效应就是真实的。
因此，我们得到的结论就是，要想让自己变得比其他人年轻，也就是要想让自己时间的流逝速度比其他人慢，那就是做非惯性运动。
下节课，我们再详细说，如何做才能让自己变得更年轻，以及双生子效应的验证实验。