双生子佯谬是真正的佯谬吗？

                         董加耕

摘要：本文认为，狭义相对论是一个逻辑严密的理论体系，"双生子佯谬"并不是真正的佯谬。

关键词：狭义相对论、双生子佯谬

1 关于狭义相对论中时空测量的说明

自从狭义相对论诞生以来，"双生子佯谬"一直是人们讨论的焦点。"双生子佯谬"是真正的佯谬吗？本文认为，狭义相对论是一个逻辑严密的理论体系，"双生子佯谬"并不是真正的佯谬。有些人之所以对相对论产生误解，除了他们的推论逻辑上不严谨外，一个更重要的原因是经典的绝对时空观仍在这些人的大脑中根深蒂固。

根据狭义相对论，运动着的直杆与其静止时相比，其长度会缩短，运动着的物体上发生的过程，与静止的物体上发生的同一过程相比，过程会变慢。两个相对运动着的不同参照系对同一物体的长度和同一过程所用的时间进行测量得出不同的测量结论，是完全正常和合理的事情，因为这是两个不同的参照系所测量出结果。我们不能要求两个不同的参照系有完全相同的测量结果，除非这两个参照系无任何区别，它们是同一个参照系。这就如同两个参照系对同一物体的运动速度有两个完全不同的测量结论一样。尽管两个参照系中的时空测量标准在两系相对静止时也可能是相同的，但这些时空标准被"放置"在了不同的参照物上，分别属于各自不同的参照系，处在不同的运动状态之中。因此，两个不同的参照系，用属于各自参照系的时空测量标准对同一运动过程进行测量，得出不同的结论，是完全正常的现象。我们不能、也不应该寻求一个与参照系无关的、"绝对的"时间测量值。我们不能追问，两个参照系中的测量结果那一个是"正确的"、那一个是"绝对的"。

我猜想，在牛顿的绝对时空观之前，应该存在一个"朴素时空观"。人们首先会认为，如同不同的人有不同的经历、不同的人有不同的性格一样，处在不同运动状态中的参照系，对同一物体的长度、同一过程所用的时间，也应该有不同的测量结果。如果不同的参照系测量出了相同的结果，如同我们发现两个人在相同的时间生相同的疾病，并在同一天死去，人们应该惊呀，并试图找出其特殊的原因。或许，我们会发现，在相同时间生相同疾病、并在同一天死去的两人原来是一对双生子。如果伽利略在轮船上发现有些力学试验与地面上不同，则我想他是不会就此进行专门讨论的。正因为伽利略发现轮船上所有的力学试验与地面上完全一致，他才感到惊呀，并把这一现象作为一个力学原理专门提了出来。可惜的是，伽利略当时的测量精度有限，并由此导致了牛顿的绝对时空观，而且绝对时空观在人们的大脑中是如此的根深蒂固，以至于当相对论恢复我们原来的"朴素时空观"时，人们反而认为其不自然。

在经典力学中，因为运动的参照物不同，两个不同的参照系可以对同一物体的运动速度有不同的描述，但由于绝对时空观，对于同一物体的长度、同一过程所用的时间，两个特定事件是否同时发生，两个参照系的描述却是完全相同的，"时空是绝对的"，关于时间和空间的测量结果与参照系的相对运动状态无关。但是，我们为什么不能放弃绝对时空观呢？对于一个具体物体的长度、一个具体过程所用的时间、以及两个具体的事件是否同时发生，不同参照系完全可以有不同的测量结果，这种相对论的时空观难道不比经典的绝对时空观更合理、更自然吗？将不同的参照系对一个具体物体的长度、对一个具体过程所用的时间，以及两个具体的事件是否同时发生，所进行的不同测量，强制性的要求其测量结果完全相同，是不是有些盲目或武断？

当然，按照狭义相对论，尽管两个惯性系系对同一物体的具体运动状态可以有完全不同的描述，但是，由这些测量所归纳出的物理规律却是完全相同的，只要它们都是惯性系。例如，对一个特定物体的长度，两个参照系可以有不同的测量结果，但是，两个不同的参照系却都在说，在它们看来，运动着的物体长度会收缩。同样，我们可以把"物体运动时长度不变"作为一个在所有惯性系中均成立的物理规律。究竟应该选取那个物理规律，这取决于那个物理规律更符合实际情况。至今，我们还未发现违反光速不变原理的情况，而运动物体的长度收缩等相对论的时空观点是光速不变原理的直接推论。而且，这种时空观比绝对时空观更自然。运动和静止毕竟是两个不同的状态，两个不同状态下物体长度有不同的测量结果，比有相同的测量结果更自然。

2 关于"双生子佯谬"的讨论

所谓的"双生子佯谬"是说，双生子A和B一个静止在参照系K中，一个静止在参照系K^/中，K和K^/有相对运动。在参照系K看来，B由于运动而显得更为年轻。同样，在参照系K^/看来，A显得更为年轻。坚持"双生子佯谬"的人在追问，究竟谁更年轻？

这里，对同一个过程，如A的生长过程，两个参照系给出了两种不同的描述，是完全正常的，因为两种不同的描述是相对于两个不同的参照系而言的。这里，A的年龄，不是物理规律，而是对一个具体事件的具体测量结果。我相信，如果双生子之间有可能通讯，开始时他们都会认为自己比对方年长，他们会争吵不休，但只要他们足够聪明，他们最终会停止争吵，他们最终会明白，他们实际上是使用了不同的时间测量标准，因此，他们之间的测量结果是根本不可能统一的。如果要比较他们的年龄，必须首先统一他们的时间测量标准，他们只能使用唯一的一个参照系。所有的测量都是在某个参照系中进行的，不存在与参照系无关的绝对的测量结果。

但是，上述的讨论仍不能完全解除人们心中的迷惑。如果我们不谈具体的时间测量，而讨论双生子的实际生理状态，例如讨论双生子的胡须长度，如果双生子从它们同时出生的时刻起就一直没有刮过胡须，那么，谁的胡须会更长一些呢？假设双生子的胡须生长方向与两个参照系的相对运动方向垂直，相对论的运动长度收缩效应在这一方向上不存在。

显然，按照狭义相对论，在K系看来，B由于运动而过程变慢，胡须应该更短一些。但是，在K^/系看来，B的胡须应该更长一些，两个参照系得出了完全不同的结论。实际上，K系对两个双生子的胡须测量，是K系中的人同时进行的，即K系所说的两个双生子的胡须长度，是K系同时对位于参照系K中的两个不同地点的双生子进行测量而获得的。同样，K^/系所说的两个双生子的胡须长度，也是K^/系同时对位于参照系K^/中的两个不同地点的双生子进行测量而获得的。但是，在K系看来，K^/系中的测量，根本不是同时进行的。在K系看来，B是先测量了A的胡须，而后才测量他自己的胡须，而在这一段滞后的时间里，他自己的胡须已多长了许多，因此，B才得出了他的胡须比A长的结论。可见，K系是完全认同K^/系关于两人胡须长度的测量值的，只不过K系并不认为这是同时测量的值。在K系看来，如果A也按照B所滞后的时间去测量B的胡须，也会得出与B完全相同的测量结果，也会得出B在那个时该的胡须比A在前一时刻的胡须要长的结论。相对论的运动物体长度收缩效应对与两系相对运动方向垂直的胡须来说不存在。可见，当两个参照系中的双生子都在坚持自己的胡须比对方长、坚持自己比对方更年长时，他们所说的实际上（在统一的一个参照系看来）并不是同一时刻的测量值。两个事件是否同时发生，不同的参照系给出了不同的测量结论。因此，他们的观点是无法统一的。除非我们统一了他们的时空测量标准，将某一个参照系确立为大家公认的参照系。

设在一个确定的参照系中，如在地球上，两个双生子开始时均静止于地球上的某一地点，然后，一个双生子仍保持静止，而另一个双生子乘火箭旅行后又返回，那么，两个双生子谁更年轻呢？显然，在地球参照系看来，若要考虑加速过程所产生的时间延缓效应，必须要用到广义相对论。如果仅在狭义相对论的适应范围内讨论，则在地球参照系看来，肯定是乘火箭旅行的那个双生子更年轻。但是，不论是在广义相对论所适应的范围内，还是仅仅考虑狭义相对论的适应范围，只要我们在确定的、唯一的一个参照系内部进行讨论，则结论必定是确定的、唯一的。有些人认为，"双生子佯谬"只能在广义相对论中才能最终得到解决，显然，持这一观点的人仍认为，在狭义相对论中"双生子佯谬"是存在的。实际上，广义相对论并不会对"双生子佯谬"给出任何解释，因为"双生子佯谬"根本就不存在。即使在广义相对论中，我们也要承认，不同的参照系，测量结果是不同的。要比较双生子的年龄，要得到一个唯一的结论，我们只能使用唯一的一个参照系进行测量。否则，佯谬会在人们的大脑中照样存在。当然，在地球参照系看来，关于双生子中运动的那个人究竟比静止的人年轻多少，用广义相对论，可能会计算得更加精确。因为广义相对论不仅考虑了匀速运动对运动物体上的过程所用时间的影响，还考虑了加速的过程对运动物体上的过程所用时间的影响。

另外，在惯性系和非惯性系之间，以及在不同的非惯性系之间，参照系并不具有某种"对称性"，惯性系中的时空是平直的，而非惯性系中的时空是弯曲的。我们不能说，"在非惯性系中的观察者看来，它内部的时空是平直的，而惯性系中的时空是弯曲的"。时空的平直和弯曲是绝对的，在一个参照系内部进行测量，而不需相对于另一个参照系，就能判断其内部的是否平直或弯曲。因此，当在一个参照系看来，双生子中的A静止，B因加速运动而比A更年轻时，我们不能由此就推断说，"在另一个参照系看来，A因加速运动而比B更年轻"。乘飞船离开地球然后再返回地球的人，他所在的参照系为非惯性系。当地球上的人说飞船上的人更年轻时，我们不能由此就推断说"飞船上的人会说地球上的人更年轻"。

可以看出，在关于双生子的问题上，相对论是不存在任何逻辑矛盾的。双生子双方都在坚持的自己更年长的测量结论，在唯一确定的一个参照系看来，实际上不是同一时刻的测量值。所谓的"双生子佯谬"，并不是真正的佯谬，而是人们对相对论的误解。只要我们抛弃绝对时空观，并进行严谨的讨论，我们就不会对双生子问题产生任何困惑。