观光返来，我居然从哥哥酿成了弟弟......

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时候流逝的快慢对每小我都是一样的吗？相对论告诉我们，速度越快，时候流逝得就越慢。




撰文 | 罗纳德·C·拉斯基（Ronald C. Lasky）

翻译 | 杜立配

时候流逝的快慢会因一个物体相对于另一个物体的活动速度分歧而改变，这一概念必定算得上爱因斯坦最为深入的思惟之一。“时候延缓”（time dilation）这个名词描写的就是活动致使时候变慢这一效应。为了说明时候延缓效应，爱因斯坦提出了一个例子，即双生子佯谬，这能够是相对论中最著名的思惟尝试。在这个设想的佯谬中，双胞胎兄弟之一以接近光速的速度观光到一个很远的恒星并返回地球。依拍照对论，当他回到地球，他会比自己的双胞胎兄弟更加年轻。

这个佯谬的焦点在于“为什么去观光的兄弟会更年轻”这个题目。狭义相对论告诉我们，当一座时钟以很高的速度经过观察者时，它看起来会走得更慢，也就是说它履历了时候延缓。按照狭义相对论，既然一切活动都是相对的，那末在观光到另一个恒星的兄弟的眼中，留在地球上的兄弟的时钟难道不是一样走得更慢吗？假如是这样的话，难道他们不应当照旧是一样的年数吗？

很多书里都对这个佯谬停止了探讨，可是只要很少的书真正给出领会答。凡是，书籍里的诠释城市说感遭到加速度的那小我最初才会更年轻；是以，观光去另一个恒星的兄弟更年轻。虽然这个结论是对的，可是这个诠释却具有误导性。一些人能够会毛病地假定是加速度致使了年龄的不同，因此只要借助爱因斯坦处置非惯性系（即具有加速度的参考系）的广义相对论才能诠释这个佯谬。而究竟上，观光者所履历的加速进程只是附带的，这个佯谬在狭义相对论的框架里便可以获得很好的诠释。

一场冗长而诡异的观光

让我们假定有一对居住于新罕布什尔州汉诺威小镇的双胞胎，我们别离称之为观光者和留守者。虽然他们对观光的爱好不同很大，可是他们却有一个配合爱好——建造一艘以0.6倍光速（0.6 c）飞翔的航天器。在花费数年建造这艘航天器以后，他们终究可以将它发射进来了。这艘航天器由观光者操纵，飞往6光年之外的一颗恒星。

飞船会很快加速到0.6c。假如以两个g（约19.6m/s2）的加速度飞翔，到达这个速度大要需要一百多天。两个g的加速度也就是地球概况重力加速度的两倍，这差不多是人在座过山车经过一个急转弯时感遭到的加速度。但是，假如观光者是一个电子的话，他可以在远小于一秒的时候内敏捷加速到0.6c。也就是说，到达0.6c所需要的加速时候并不是题目标重点地点。

观光者需操纵狭义相对论的尺缩效应公式来丈量间隔，所以间隔留守者6光年远的恒星对于以0.6c飞翔的观光者而言只要4.8光年。因此，留守者算出观光者到这颗恒星的观光需花费10年的时候（6.0/0.6），而对于观光者而言却只花费8年（4.8/0.6）。为领会决这个双生子佯谬，我们需要斟酌在全部观光中，这对双胞胎眼中的自己与对方的时钟读数是怎样的。我们假定他们二人均有一架很是强大的千里镜可以观察到对方的时钟，出乎料想的是，假如我们把眼光放在光在兄弟二人之间传布需要的时候上，佯谬便可以获得很好的诠释。

当观光者分开地球前往阿谁恒星时，观光者与留守者均将各自的时钟设定为零时辰。当观光者到达恒星时，当时钟显现为8年。可是，在留守者看来，当观光者到达恒星时，自己的时钟显现为16年。为何是16年？由于对于留守者而言，飞船到达恒星的进程花费10年，而表白观光者到达那颗恒星的光芒还需要再经过6年才能传回地球从而被自己观察到。由此可知，经过留守者的千里镜观察，观光者时钟的运转速度看起来是自己时钟的一半（8/16）。

当观光者到达恒星时，他看到自己的时钟是如上所述的8年，可是他此时看到的留守者时钟的读数实在是它6年前的读数（6年是光从地球传布到恒星所用的时候），换句话说，留守者时钟的读数也就是4年（10减去6）。是以，在观光者看来，留守者的时钟也是依照自己时钟速度的一半在运转（4/8）。




时候流逝对于双胞胎来说不尽不异：其中观光者以接近光速的速度在地球和一颗很远的恒星间停止一次往返观光，而留守者在地球期待观光者的归来。在每个事务发生的时辰，即观光者动身、到达恒星以及返回地球时，观光者与留守者对观光者时钟读数的看法是分歧的，但他们对留守者时钟读数的看法是纷歧致的。

从孪生到年轻

在返回进程中，留守者看到观光者的时钟在4年的时候里就从8年变成16年，由于当他看到观光者分开恒星时自己的时钟指向16年，而当观光者返回地球时，自己的时钟是20年。是以，留守者看到观光者的时钟在自己的4年时候里走过了8年；现在观光者时钟的运转速度酿成自己的两倍了。

当观光者回抵家中，他看到留守者的时钟在自己的8年时候里从4年酿成了20年。是以，他也感觉自己留守兄弟的时钟的运转速度酿成了自己的两倍。可是他们却分歧赞成，在观光竣事时，观光者的时钟读数为16年而留守者的为20年。是以，观光者比留守者年轻了4岁。




在以接近光速的速度完长大达20年的往返观光后，由于多普勒时候延缓，观光者将比他的双胞胎兄弟年轻4岁。在动身并到达恒星的去程中，观光者将花费8年的时候（黄线）。当他回望地球，他看到留守者的时钟只走过了4年（绿线）。但是，当留守者看到观光者到达恒星时，他自己的时钟已经走过了16年（蓝线）。当观光者返程回到地球（红线）时，他们分歧赞成留守者的时钟显现20年，而观光者的时钟显现16年。是以，观光者年轻了4岁。（橘色线显现了光在这20年里是若何传布的。）

这个佯谬中的差池称在于观光者分开了地球这个参考系然后又返回，而留守者却从未分开这个参考系。别的一个差池称在于，在每个事务发生的时辰，观光者与留守者对于观光者时钟读数的看法是分歧的，而他们对留守者时钟读数的看法是纷歧致的。是以，现实上是观光者的行为决议了每个事务的发生时辰。

多普勒效应加上相对论可以从数学上具体诠释每个时辰的时候不同效应。读者也应当能留意到，观察到一个时钟的运转速度快慢取决于它是朝向观察者活动还是背叛观察者活动。

最初应当指出，现在双生子佯谬已不但仅是个理论，由于它的根基道理已经获得尝试的充实证实。其中一个尝试即是μ子衰变寿命证实了时候延缓的存在：静止μ子的寿命约为2.2微秒，而当它们以0.9994c的速度活动时，其寿命会耽误到63.5微秒，这与狭义相对论的预言是分歧的。别的，以分歧速度输送原子钟的尝试成果也考证了狭义相对论及双生子佯谬。例如，在1971年著名的哈费勒－基廷（Hafele-Keating）尝试中，研讨职员将铯原子钟放置在贸易客机上停止环抱地球的飞翔，一次朝东飞翔一次朝西飞翔，最初再将它们的时候与静置在美国水兵天文台的钟停止对照，成果与狭义相对论的计较相合适。

原题目：物理学家：观光返来，我居然从哥哥酿成了弟弟