其实这就是对狭义相对论典型的误解造成的。这个问题类似于双生子佯谬。
我们都知道,速度越快时间越慢,这个时间变慢是针对观察者来说,这里要注意的是,这个观察者是针对非自身的参考系。
对于双胞胎来说,一个留在地球上,另一个乘坐宇宙飞船高速远离地球。而不管是留在地球上的弟弟,还是乘坐飞船的哥哥,他们都无法感受到自己的时间流逝有任何变化。而只有留在地球的弟弟观测宇宙飞船中的哥哥时,才发现哥哥的时间相对自己变慢。各自的时间流逝快慢是通过对比才体现出来的。
这里面的时间变慢是真实发生的,并不是视觉效果。
现在很多人关于双生子佯谬最大的疑惑是,为什么乘坐飞船回来的哥哥会变得更年轻,而不是留在地球的弟弟。
关于这个问题,最常见的一种错误解释是,因为乘坐飞船的人要回到地球,会经历减速和加速的过程,这种变速运动就等同于加速度,而加速度在等效原理中又等同于引力场,所以是引力场造成乘坐飞船的人的时间变慢了。
这样的解释就强行将双生子佯谬问题拓展到广义相对论了,事实上,广义相对论的引力场造成时间膨胀在双生子佯谬中的确发挥了作用,但这并不是主因,主因还是在狭义相对论的框架内。
如果只解释“悖论”本身,双生子佯谬只需用闵可夫斯基空间就能解决,完全无需广义相对论。当然如果涉及实际计算的过程,肯定需要广义相对论参与,毕竟涉及到变速问题。
在闵可夫斯基几何中,纵坐标为时间t,横坐标为空间x,要注意这个x代表的三维空间,视频中的二维坐标只是为了简化表述。所以坐标中的AB两点代表的是时间和空间上的两个事件。而AB两点的连线代表的并不是距离,而是AB两个事件之间经过的时间,用字母E表示。
如果AB的连线是直线,那就表示AB两个事件之间以恒速进行,也就是同属惯性系。
但是这里要注意,由于闵可夫斯基空间采用的是相对论框架,所以AB两点的时间并不是绝对的,而是相对的,所以B减A,并不是AB两个事件的时间差。
而如果一个人站在a点不动,仅随着时间的流逝到达b点,那这时候B减A就是这个人静止不动经历的时间差。而如果涉及到太空旅行,从a到b,涉及到的时间差,就不能用勾股定理来计算,这个时候x² t²就不等于E²!
而正确的表述方式是E²=t²-x²。
当然很多人对这个公式看不懂,首先单位对不上,另外这明显违背勾股定理。
而事实上,时间t是相对的,是和空间密切关联的,并非二维坐标表现的这样。公式只涉及定性分析。定量分析则需要考虑量纲问题。
从这个方程中就可以看出,如果一个人在空间上的旅行越长,那x的平方就越大,经历的时间E也就越少。
为什么会这样呢,其实本质还是由于光速不变导致的。
光速等于经历的空间除以时间。光速不变就意味着,在空间移动的越多,时间只能通过膨胀,来维持光速恒定,所以时间就会变慢,相对于经历的时间就会变少。
而对双生子佯谬来说,留在地球上的人的闵可夫斯基几何图形是左边,而乘坐飞船的人的图形是右边。所以乘坐飞船的人的空间旅行更长,时间也就变得更慢。
在简单的二维时空坐标中,可以轻易解决双生子佯谬的问题,如果将其拓展到真实的四维时空中,就可以表示广义相对论的时空弯曲带来的时间膨胀效应。有质量的天体会弯曲周围的时空,弯曲的结果就是引力效应。