談談雙生子佯謬

摘要：1905年9月，德國《物理年鑒》雜志刊登了一篇《關于運動物體的電動力學》的論文，它宣告了狹義相對論假說的問世。正是這篇看似很普通的論文，建立了全新的時空觀念，并向明顯簡單的同時性觀念提出了挑戰(zhàn)。我們知道由愛因斯坦狹義相對論可以得出運動的物體存在時間膨脹效應。在1911年4月波隆哲學大會上，法國物理學家P．朗之萬用雙生子實驗對狹義相對論的時間膨脹效應提出了質(zhì)疑，設想的實驗是這樣的：一對雙胞胎，一個留在地球上，另一個乘坐火箭到太空旅行。飛行速度接近光速，在太空旅行的雙胞胎回到地球時只不過兩歲，而他的兄弟早已死去了，因為地球上已經(jīng)過了200年了。這就是著名的雙生子詳謬。雙生子佯謬說明狹義相對論在邏輯自恰性上還存在不完善的地方。本文正是以時間膨脹效應為線索對狹義相對論做進一步的探討，分析雙生子佯謬產(chǎn)生的原因。

首先讓我們來看一個例子。假設我們一家來到了美國科學家伽莫夫筆下湯普金斯先生曾經(jīng)夢游過的城市，在這座城市里由于速度極限（光速）很低，所以相對論效應非常顯著。來到這座城市后，我們進了一家瑞士鐘表店，每人選了自己喜歡的一塊表并要求營業(yè)員把三塊表的時間調(diào)成一致。隨后，我們來到了一家游樂園，其中一個游樂項目是乘坐光速飛車，其實飛車的速度并沒有達到光速。我站在起點A處，幫兒子把安全帶系牢，兒子高興地坐在A點的光速飛車里。我妻子站在終點B處，A與B之間的距離為L。車馬上要出發(fā)了，我下意識地對了一下自己和兒子的表，時間一分一秒都不差。抬頭再看終點處妻子的表，我發(fā)現(xiàn)妻子的表比我的表慢了一些。來不及多想車已經(jīng)象離弦的箭一樣沖了出去。我突然發(fā)現(xiàn)兒子的表越走越慢，當然是相對我的表而言，最后到達終點時與我妻子的表一致了。看來瑞士表的質(zhì)量也不怎么樣，我打算玩完回去后把表給退了。在回來的路上我看了一眼妻子和兒子的表，奇怪！怎么我們的表顯示的時間分秒不差，我明明看見他們倆的表比我的慢了呀！我把我的發(fā)現(xiàn)告訴了我的妻子，她說她也覺得挺奇怪的，但是與我所說的現(xiàn)象稍有些不同。在終點處，她發(fā)現(xiàn)我和兒子的手表都比她的表慢了，但當兒子乘坐飛車向她駛來時，兒子的表卻變得越來越快，最后到達終點時竟與她的表一致了。這時候兒子也加入了我們的談話，他告訴了我他的發(fā)現(xiàn)，他是這樣描述的，在起點處他發(fā)現(xiàn)爸爸的表跟他的表時間是一致的，媽媽的表走得比他的慢，當車運動起來后，爸爸的表變慢了而媽媽的表比原來快了，最后當他到達終點時媽媽的表與他的表又一致了。

從上面這個例子中，我們看到由于三個人所處的狀態(tài)不同，得出的結(jié)論也大相徑庭。但都有一個共同的特點，就是每個人都是以他本人的時間為基準作出判斷的。我們知道光速是有限的，光在空間運行是需要時間的。當所研究的對象涉及到空間大尺度范圍或當物體運動的速度大到可以與光速相提并論時，光通過空間兩點所需的時間就不能不考慮進來，這樣通常在小尺度低速度情況下被認為是同時發(fā)生的兩個事件就不能再認為是同時的了。愛因斯坦也正是從時間的同時性入手，提出了狹義相對論。在我們生活的宇宙中，時間是非物質(zhì)的量，它是為了描述物體運動而人為引進的一個物理概念。經(jīng)典物理對時間是這樣定義的“絕對的、真正的和數(shù)學的時間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地，與任何其他外界事物無關地流逝著”。這一定義在研究空間小尺度范圍或低速運動的物體時，無疑是正確的，因為它暗含這樣一個概念即時間的同時性是絕對。但在研究空間大尺度范圍或高速運動的物體時，這一定義是否仍然有效，取決于對時間的同時性是如何定義的，同時還要看空間兩點兩個事件發(fā)生的時間是如何記錄的。

假設有兩個完全一樣的鐘被放置在AB兩地。我們可采用中點對鐘法將兩地的鐘校準。我們說發(fā)生在AB兩地的兩個事件是同時的，如果AB兩地的鐘所指示的時間是一樣的話。這個結(jié)論暗含有這樣一個條件即在AB兩地分別有兩個觀察者記錄本地事件發(fā)生的時間，然后再將兩個時間進行對比，判斷這兩個事件是否是同時發(fā)生的，判斷的結(jié)果與AB兩地的位置無關。從這個意義上說時間的同時性是絕對的。我們再看另一種情況，我們?nèi)圆捎猛瑯拥姆椒▽�AB兩地的鐘校準。從A點觀察AB兩地同時發(fā)生的兩個事件，得到的結(jié)論是A地的事件先于B

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