运动会使时间变慢吗

　　周金月 刻

　　爱因斯坦的狭义相对论自1905年诞生之日起就广受质疑，其中有一个著名的推论——时间膨胀效应，意思是说，物体运动会使时间变慢。当物体低速运动时，这一效应并不明显，而如果物体的速度接近光速，这一效应就变得相当明显了。

　　1911年4月，法国物理学家朗之万提出了一个双生子实验（当然只是理想中的实验），用以质疑狭义相对论的时间膨胀效应。他说，假设有一对刚出生的双胞胎兄弟，哥哥乘坐宇宙飞船在太空中以接近光速行驶，弟弟留在地球上。哥哥回到地球时是两岁，而他的弟弟却早已去世了，因为地球上已经过了二百年。这就是著名的“双生子佯谬”。

　　根据爱因斯坦的狭义相对论，运动可以使时间变慢，哥哥理应年轻，上面的实验没什么问题啊。这个解释是正确的，但是解释得并不那么令人信服。

　　且来看看大家对这个解释的质疑：我们从另一个角度思考这个问题，哥哥在飞行过程中，会看到弟弟以接近光速的速度离开自己。什么意思呢？哥哥以自己为参照系的话，会感觉自己不动，而弟弟却正在以接近光速的速度远离自己。这可好玩了，在哥哥看来，我没动啊，动的是弟弟。刚才说了，运动使时间变慢，弟弟的时间变慢了。按照这样理解，两年后哥哥返回地球，理应看到弟弟比自己小很多，怎么会已经去世了呢？

　　单从参照系的角度来说，上面的这个质疑没有问题。不过，这时候有人站出来说：这个质疑不对，它没有考虑到加速问题，弟弟在地球上并没有动，而哥哥在起始和掉头阶段都经历了加速或减速运动，是这个加速或减速运动使得哥哥的时间变慢的。这个解释有个很严重的问题——加速度确实可以使时间变慢，但那属于广义相对论的范畴，并不是这个“双生子佯谬”中时间膨胀效应的主要来源。

　　其实，要真正解释“双生子佯谬”的问题，还得引入“世界线”这个概念。

　　世界线的概念也是由爱因斯坦提出的，大意是这样的：时空是四维的，即三维空间加一维时间，处于这个时空的粒子在某一时刻只能处于一个位置点，而粒子的整个运动历史是所有位置点组成的一条线。

　　在宇宙中，地球可以近似看做惯性系，如果哥哥和弟弟都在地球上，他们的世界线应该是重合的，即无加速度的世界线。如果哥哥经历了加速度，那么加速度会让他脱离原来的世界线而进入另一条世界线，而此时弟弟还在原来的世界线上。这样，哥哥在新的世界线上运动，且速度增加了，其时间流逝的速度也就比原来慢了，哥哥在这条新的世界线上待的时间越长，它和弟弟的时间差就越大。如此一来，“双生子佯谬”的问题就解释得很清楚了。