时间佯谬怎么解释

“时间佯谬”，又叫“双生子佯谬”。这是一个有关狭义相对论的思想实验，说的是双胞胎哥哥乘坐近光速飞船离开地球作远程太空旅行，弟弟则留在地球。哥哥相对于弟弟作近光速运动，返回地球后，发现哥哥比弟弟年轻。

因为按照狭义相对论，高速运动会使物体的时间流逝速度变慢。可根据相对性，弟弟相对于哥哥也是作近光速运动，那在哥哥看来，却是弟弟的时间过得比自己的慢。这些结论产生了矛盾，有人据此认为狭义相对论在逻辑上是矛盾的，因为它得出了有关时间方面的悖论。或者认为它的结论是不对的——哥哥不会比弟弟年轻。那实际情况到底如何，到底谁对？

对“双生子佯谬”的传统权威解释

爱因斯坦最初对此的解释是，时间的同时性具有相对性，两个惯性系之间的时间是没有办法比较的，它们的比较也是毫无意义的，如果哥哥乘坐飞船不再回来，他们互相的观察结果都是对的。狭义相对论是关于惯性系之间的时空理论，弟弟处于惯性系，而哥哥由于存在加减速处于非惯性系，因此狭义相对论解释不了非惯性系的问题。

直到他创立广义相对论后，拿出他的大杀器——等效原理，即引力场局域等效于加速度场，才算解释了这一问题。

相对来说，弟弟和哥哥虽然都处于引力场，但他们在引力场中所处的位置却不同，因而引力场对他们的影响是不同的：在哥哥刚加速离开弟弟和减速回到地球时，这时两人相距较近，引力场势相差不大，引力场对他们时间流逝的影响相差不大，且这块经历时间很短，所以完全可以忽略不计。而在哥哥反向掉头时，哥哥和弟弟相距非常遥远，这时弟弟的引力场势远高于哥哥，它使哥哥的时间比弟弟流逝得要慢得多，这一影响超过了弟弟相对于哥哥高速运动对时间的影响，最终他们会合时，弟弟仍然比哥哥变老了，这一结论，无论以谁来分析都是一样的。这根本不是什么悖论，只能算是“佯谬”。这一解释长久以来成为“时间佯谬”的权威解释。

对“时间佯谬”的现代解释

实际上对“时间佯谬”有一种现代解释非常简单，这种解释并不需要广义相对论，狭义相对论就足够了。那就是用闵可夫斯基的四维线长度，即用世界线和时空图，就能一目了然来判断到底谁的时间变慢了。

与欧氏几何对比，欧氏空间中与一点距离相等的点，是在一个圆周上。而闵氏时空则是在两条双曲线上（如上图红色和蓝色双曲线，A点事件对着红色的双曲线，C点事件对着蓝色的）。也就是说从A点到红色双曲线上任一点的直线段的四维线长都是相等的，即AD=AB。同理CE=CB，由于线段AC比AD加上CE还要多出DE一段，由此可知ADEC这条路径的四维线比ABC这条路径的四维线长，也就是弟弟的固有时（四维线长除以光速就是固有时）比哥哥的固有时长。因此哥哥返回地球后，弟弟变得比哥哥老了。狭义相对论的结论并不矛盾。

最后注意

这不是基于不同参考系的观测效果（狭义相对论的很多结论都是观察者效应，不同参考系的观察者对同一事件的观察结果是不同的），而是哥哥和弟弟真正的固有时差异。这是对狭义相对论的深度解读，闵氏时空的四维线长与参考系无关，它是不依赖于参考系的。也就是说无论选择弟弟的还是哥哥的参考系，其结果都是一样的。