时间对每个人都以相同的速率流逝吗？

俗话说，“时间是相对的”可能不如“时间就是金钱”那么有名。但是，时间会根据一个物体相对于另一个物体移动的速度而加快或减慢的概念，无疑是阿尔伯特·爱因斯坦最受启发的见解之一。

术语“时间膨胀”被创造出来描述由运动引起的时间变慢。为了说明时间膨胀效应，爱因斯坦提出了一个例子——双生子佯谬——这可以说是相对论中最著名的思想实验。在这个假想的悖论中，一对双胞胎中的一个以接近光速的速度前往遥远的恒星，然后返回地球。相对论指出，当他回来时，他比他的同卵双胞胎更年轻[参见保罗·戴维斯的“如何建造时间机器”]。

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这个悖论在于问题“为什么旅行的兄弟更年轻？”。狭义相对论告诉我们，一个被观察到的时钟，以高速掠过观察者，看起来运行得更慢——也就是说，它经历了时间膨胀。（我们中的许多人在大学二年级的物理课上解决了这个旅行时钟问题，以证明光速绝对性质的一个影响。）因为狭义相对论说没有绝对运动，那么前往恒星的兄弟难道不会也看到他在地球上的兄弟的时钟走得更慢吗？如果真是这样，他们难道不会是同龄人吗？

许多书讨论了这个悖论，但很少有书解决它。通常的解释是，感受到加速度的人是在旅程结束时更年轻的人；因此，前往恒星的兄弟更年轻。虽然结果是正确的，但解释具有误导性。有些人可能会错误地认为，加速度导致了年龄差异，并且需要爱因斯坦的广义相对论（处理非惯性或加速参考系）来解释这个悖论。但是，旅行者所承受的加速度是偶然的，这个悖论可以仅用狭义相对论来解释。

一次漫长而奇异的太空之旅

让我们假设一对双胞胎兄弟，昵称旅行者和宅男，住在新罕布什尔州汉诺威。他们在漫游癖上有所不同，但在建造能够达到光速 0.6 倍（0.6 c）的宇宙飞船方面有着共同的愿望。在研究宇宙飞船多年后，他们准备发射它，由旅行者驾驶，前往六光年外的一颗恒星。

他的飞行器将迅速加速到 0.6 c。要达到这个速度，在 2g 的加速度下需要 100 多天。2g 是重力加速度的两倍，大约是在过山车急转弯时所经历的加速度。然而，如果旅行者是电子，他可以在极短的时间内加速到 0.6 c。因此，达到 0.6 c 的时间不是论证的核心。

旅行者使用狭义相对论的长度收缩方程来测量距离。因此，对于宅男来说六光年远的恒星，对于速度为 0.6 c 的旅行者来说，似乎只有 4.8 光年远。因此，对于旅行者来说，到达恒星的旅程只需要八年（4.8/0.6），而宅男计算需要 10 年（6.0/0.6）。为了解决双生子佯谬，我们需要考虑在旅程中每个双胞胎如何看待自己和对方的时钟。让我们假设每个双胞胎都有一架非常强大的望远镜，可以进行这种观察。令人惊讶的是，通过关注光在两者之间传播所需的时间，就可以解释这个悖论。

当旅行者离开地球前往恒星时，旅行者和宅男都将他们的时钟设置为零[参见上面的“比较时钟”]。当旅行者到达恒星时，他的时钟显示为八年。但是当宅男看到旅行者到达恒星时，宅男的时钟显示为 16 年。为什么是 16 年？因为，对于宅男来说，飞船需要 10 年才能到达恒星，而光需要额外的六年才能返回地球，显示旅行者在恒星处。因此，通过宅男的望远镜观察，旅行者的时钟看起来以他时钟速度的一半运行（8/16）。

当旅行者到达恒星时，他像前面提到的那样读取他的时钟为八年，但他看到宅男的时钟是六年前的（光从地球到达他所需的时间），或者四年（10 减去 6）。因此，旅行者也认为宅男的时钟以他时钟速度的一半运行（4/8）。

从双胞胎到弟弟

在返回的旅程中，宅男看到旅行者的时钟在短短四年时间内从八年走到 16 年，因为当他看到旅行者离开恒星时，他的时钟是 16 年，而当旅行者回到家时，他的时钟将是 20 年。因此，宅男看到旅行者的时钟在他的四年时间里前进了八年；它现在运行速度是他时钟的两倍。

当旅行者返回家时，他看到宅男的时钟在他的八年时间里从四年走到 20 年。他还看到他兄弟的时钟以他时钟速度的两倍前进。然而，他们都同意，在旅程结束时，旅行者的时钟显示为 16 年，宅男的时钟显示为 20 年。因此，旅行者年轻了四年。

这个悖论的不对称性在于，旅行者离开地球的参考系又返回，而宅男从未离开地球。另一个不对称性是，旅行者和宅男在每个事件中都同意旅行者时钟的读数，但他们不同意宅男时钟在每个事件中的读数。旅行者的行为定义了这些事件。

多普勒效应和相对论共同从数学上解释了任何时刻的这种效应。读者还应该注意到，观察到的时钟看起来运行的速度取决于它是远离还是朝向观察者移动。

最后，我们应该指出，今天的双生子佯谬不仅仅是一个理论，因为它的基本原理已经通过实验得到了充分的证实。在其中一项实验中，μ子衰变的寿命验证了时间膨胀的存在。静止的μ子的寿命约为 2.2 微秒。当以 0.9994 c 的速度经过观察者时，μ子的寿命延长至 63.5 微秒，正如狭义相对论所预测的那样。原子钟以不同速度运输的实验也产生了结果，证实了狭义相对论和双生子佯谬。例如，在 1971 年著名的哈费勒-基廷实验中，研究人员将铯束原子钟放在商用飞机上环球飞行——先是向东，然后向西——并将它们的时间与美国海军天文台的静止时钟进行了比较。