作为格言，“时间是相对的”可能不如“时间就是金钱”那样有名。但时间会根据一个物体相对于另一个物体的运动速度而加快或减慢的想法，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减慢。为了说明时间膨胀效应，他提出了一个例子——双生子佯谬——这可以说是相对论中最著名的思想实验。在这个假定的佯谬中，一对双胞胎中的一个以接近光速的速度旅行到遥远的恒星，然后返回地球。相对论表明，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》，第6页]。
佯谬在于问题“为什么旅行的兄弟更年轻？”。狭义相对论告诉我们，一个观察到的时钟，以高速经过观察者时，看起来会走得更慢——也就是说，它会经历时间膨胀。（我们中的许多人在大学二年级的物理课上解决了这个移动时钟的问题，以证明光速绝对性的一个影响。）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，他们难道不应该都是相同的年龄吗？
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这个佯谬在许多书中都有讨论，但很少有解决。通常的解释是，感到加速的人是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，并且需要用广义相对论（处理非惯性或加速参考系）来解释这个佯谬。但旅行者所经历的加速度是偶然的，并且这个佯谬可以仅通过狭义相对论来解决。
漫长而奇特的太空旅行
让我们假设，昵称为旅行者和宅男的双胞胎兄弟住在新罕布什尔州的汉诺威。他们在旅行的欲望上有所不同，但都共同渴望建造一艘能够达到光速 0.6 倍（0.6 c）的宇宙飞船。经过多年的宇宙飞船研究，他们准备发射它，由旅行者驾驶，前往六光年外的恒星。
他的飞船将迅速加速到 0.6 c。要达到这个速度，在 2g 的加速度下，需要 100 多天的时间。2g 是重力加速度的两倍，大约是在过山车上急转弯时所体验到的加速度。然而，如果旅行者是一个电子，它可以在极短的时间内被加速到 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，对宅男来说六光年远的恒星，在旅行者以 0.6 c 的速度看来只有 4.8 光年远。因此，对于旅行者来说，到恒星的旅行仅需八年 (4.8/0.6)，而宅男计算则需要 10 年 (6.0/0.6)。为了解决双生子佯谬，我们需要考虑在旅途中每个双胞胎如何看待他自己和他人的时钟。让我们假设每个双胞胎都有一架非常强大的望远镜，可以进行这样的观测。令人惊讶的是，通过关注光在两者之间传播所花费的时间，可以解释这个佯谬。
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[见左侧的方框]。当旅行者到达恒星时，他的时钟显示八年。但是当宅男看到旅行者到达恒星时，宅男的时钟显示 16 年。为什么是 16 年？因为，对于宅男来说，飞船到达恒星需要 10 年的时间，并且光线需要额外 6 年的时间才能回到地球，显示旅行者在恒星上。因此，通过宅男的望远镜观察，旅行者的时钟看起来是他的时钟运行速度的一半 (8/16)。
当旅行者到达恒星时，正如前面提到的，他读取他的时钟为八年，但他看到宅男的时钟是六年前的状态（光从地球到达他所花费的时间），即四年 (10 - 6)。所以旅行者也认为宅男的时钟的运行速度是他自己时钟的一半 (4/8)。
从双胞胎到更年轻的兄弟
在返回的途中，宅男看到旅行者的时钟在四年内从八年增加到 16 年，因为当他看到旅行者离开恒星时，他的时钟是 16 年，当旅行者回到家时，他的时钟将是 20 年。因此，宅男现在看到旅行者的时钟在他的四年时间内前进了八年；现在是他的时钟的两倍快。
当旅行者返回家时，他看到宅男的时钟在他八年的时间内从四年增加到 20 年。因此，他也看到他兄弟的时钟以他两倍的速度前进。然而，他们都同意，在旅程结束时，旅行者的时钟显示 16 年，而宅男的时钟显示 20 年。所以旅行者年轻了四年。
这个佯谬中的不对称性在于，旅行者离开了地球的参考系然后又回来了，而宅男从未离开过地球。另一个不对称性是，旅行者和宅男都同意旅行者的时钟在每个事件上的读数，但他们不同意宅男的时钟在每个事件上的读数。旅行者的行为定义了这些事件。
多普勒效应和相对论共同解释了在任何瞬间的这种效应的数学原理。读者还应注意，观察到的时钟的运行速度取决于它是在远离观察者还是向观察者靠近。
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详尽的证实。在一个这样的实验中，μ子的衰变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，它们的寿命延长至 63.5 微秒，正如狭义相对论所预测的那样。在原子钟以不同速度运输的实验中，也产生了证实狭义相对论和双生子佯谬的结果。
作者
罗纳德·C·拉斯基是达特茅斯学院的客座教授和英迪公司的资深技术专家。他编辑了几本关于电子封装和光电子学的书籍，并撰写了大量的技术论文和专利披露。他的爱好之一是研究相对论和量子理论的微妙之处，以便他可以向普通人解释它。