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Twin Paradox

2022-10-13原文链接

Twin paradox 是爱因斯坦狭义相对论的一个悖论,我先简要解释一下它是什么意思。因为根据相对论,运动的物体体验到的时间会变慢(所谓“time dilation”),所以 twin paradox 的问题就是,有一对双胞胎,其中一个坐飞船去别的星球兜了一圈回来,因为他在高速运动,时间走得慢一些,所以回来的时候就会发现坐飞船的这个比留在地球上的那一个更年轻。但因为运动都是相对的,我们也可以认为坐飞船的那一个是静止的,而地球上的那一个是运动的,这样看的话,地球上的那一个因为在运动,就会更年轻。所以就矛盾了。

今天看了一个讲 twin paradox 的视频,我以为他会解释清楚 twin paradox 怎么解决,却发现他算出来之后,坐飞船的那一个回来的时候真的会年轻一些。为什么不是把坐飞船的那一个看成是不动的,而把地球上的那一个看成是运动的,这样地球上那一个就会年轻一些了?

看了一下评论,很多人都在提同样的问题,然而看了对他们的回复之后,我发现他们总会巴拉巴拉给你讲“惯性系”(inertial reference frame)和非惯性系的差别,说飞船上那个在加速,另一个没有加速。要么就跟你说这个只有广义相对论才能解释,因为广义相对论才能解释加速度。但你要去理解广义相对论的话,又是一大堆更难的数学,什么黎曼几何都来了……

但是仔细想想之后,我发现这个问题和加速度没有任何关系。因为狭义相对论从来没有提到过加速度的事,直接就从“相对光速总是 c”推出了变换公式,所以它的公式适用于任何有速度的物体,而不需要考虑加速度。可是一旦被质疑 twin paradox 的时候,他们就给你扯“惯性系”,“加速度”,甚至扯到广义相对论。我觉得这是一种回避问题的诡辩手法。等你把这些“惯性系”一类的都琢磨清楚,发现还是没法解释这个事,他们又会想出其它的理由…… 就没完没了了。

这就像我签了合同,结果到时候对方不履行义务。我去告他,结果他拿出一堆纸,说这里还有一个“附加协议”你没看见…… 可是这个协议我当时签过字吗?

这就像当我质疑登月的照片为什么都没有星星,马上就有人说“美国登月的时候放了激光反射器在上面”,或者“美国从月球上带回来月球的岩石”一类的事情。然而这些都无法解释照片上没有星星这个致命的问题,这是在回避问题。

所以我觉得“惯性系”,“加速度”,甚至扯到广义相对论,是无法解释 twin paradox 的,这只能说明他们在使用同样的诡辩手法,回避致命的问题,把你绕进无穷无尽的漩涡里去。这些东西就像是签了合同之后才跟你说有“附加协议”,可是你并没有签过字。狭义相对论必须履行这些已经签好的“合同”,而不应该拿出另外的“附加协议”来逃避问题。

其实 twin paradox 的原因很简单,因为爱因斯坦推导他的公式时从来没考虑过速度的方向,所以不管坐飞船的twin 过去还是回来,他的公式都是按照“时间膨胀”计算的,所以两个方向算出来的“经历时间”都会短一些,这样加起来他就更年轻了。

如果使用正确的相对论公式,这一切时间变化都只是观测扭曲,而不是实际发生的,而且这些观测扭曲都是和速度的方向有关的。这样飞船过去再回来,地球上的观察者看到飞船的时间会一个方向短一些,另一个方向长一些,这样加起来就和地球上是一样的。所以回到地球的时候,他们两个人的年轻程度就是完全一样的,没有任何差别。这样 twin paradox 就不存在了。