双生子佯谬（什么是双生子佯谬？）

　　双生子佯谬（什么是双生子佯谬？）
　　一对同卵双胞胎宇航员 20 岁生日时，自愿参加了一项实验。特拉留在地球上，而史黛拉将登上一艘太空船。去拜访一颗距我们 10 光年的恒星，飞船速度是光速的 86.6％，然后再以同样速度返回地球。
　　当他们准备分别时，这对双胞胎也想知道，她们再相聚时会发生什么。1 光年指光在一年中传播的距离，所以史黛拉的旅程应该是 23 年。但是通过研究狭义相对论，她俩知道事情没那么简单。首先，与静止的观察者相比，物体在空间运动的速度越快，时间就会过得越慢。这种关系可以用洛伦兹因子来量化，这是洛伦兹因子的定义公式。其次，观察者在静止状态下测量的移动物体的长度将收缩相同的因子。当速度为光速的 86.6％ 时，洛伦兹因子为 2，意味着飞船上的时间慢为原来时间的一半。
　　当然，史黛拉觉察不到时间在变慢，因为飞船上所有基于时间的进程也都会变慢——时钟和电子设备、包括史黛拉衰老速度在内的生理活动、以及她对时间的感知。移动飞船上史黛拉的时间变慢了，唯一能觉察到这一点的人是在惯性或非加速参考系中的观察者,譬如在地球上的特拉。因此，特拉得出结论，当她俩在地球上再次相遇时，她将比史黛拉年龄大，但这只是看待这件事的一面。因为所有运动都是相对的，史黛拉认为太空船静止不动，而是包括特拉在内的整个宇宙都围绕她运动的说法同样有效。在这种情况下，特拉的时间将慢为原来的二分之一，而最后年龄更大的是史黛拉。而她俩不可能都比对方年长，那么，哪种说法正确呢？这种明显的矛盾被称为＂双生子佯谬＂。
　　但这并非一个真正的悖论，只是狭义相对论易被误解的一个例子。为了实时检验他们的理论，两个双胞胎商定，每经过一年，他们都要向对方发出光脉冲。与其他物体不同，无论观察者的参考系如何，光速始终是恒定的。无论是发出去的光还是收到的光，从地球发出光脉冲的测速与从飞船发出光脉冲的测速相同。因此，当双胞胎中的一人观察到光脉冲的时候，即可测得另一人的一年的时间加上两点间传播所需的时间。
　　我们可从图表上观察所发生的事情：X 轴表示距地球的距离，Y 轴表示所用的时间。从特拉的角度看，她的轨迹是一条垂直线，距离为零，并且直线上的每个刻度相当于她所感知的一年。史黛拉的轨迹首先从相同原点出发，延伸到一点，其时间坐标 是11.5 年，距离坐标是特拉的距离 10 光年；然后再汇合到零距离和 23 年的时间点。
　　在特拉的第一年，她将从地球发出光脉冲，射向史黛拉的飞船。由于光需要一年才能传播一光年，因此其轨迹将是一条 45 度对角线。而且由于史黛拉正驶离光线，等光线追上她的时候，特拉已过了 7 年多，而史黛拉过了 4 年以上。等到史黛拉观察到特拉的第二次光脉冲时，已是在返程途中。但此时的她正朝着光源前进，光到达她的时间会缩短，而且她会更频繁地观察到光脉冲。这意味着，在旅程的前半段，史黛拉会观察到特拉衰老减缓，而返程时，她则观察到特拉加速衰老。同时，对于史黛拉来说，特拉、目的地和整个宇宙似乎都在围绕她移动。
　　由于长度的收缩，史黛拉观察到她俩的间距离缩小了一半。这意味着，从史黛拉的角度来看，每段行程仅需约 6 年的时间。当她向地球发送第一个信号时，对于特拉来说已经过去了两年。史黛拉在前往恒星的旅程中将再发出四次光脉冲，一次比一次离地球远。等特拉观察到史黛拉返程中发出的第一个光脉冲时，时间已过了 21 年多。对于史黛拉返回地球的剩余旅程，特拉每年都会收到多个光脉冲。因此，在分开的 23 年里，特拉观察到：在 90% 的时间里， 史黛拉减缓衰老，而在最后的 10％ 时间，她则加速衰老。
　　这种不对称解释了为何该悖论并非真正的悖论。尽管双胞胎二人都见证了彼此的时间加速和减速，但史黛拉看到的是时间均等的加速和减速，而特拉在大部分时间里看到的是史黛拉减缓衰老。这与每个双胞胎所测量的，对太空航行的结果是一致的，该过程需要 23 个地球年，但飞船上只有 11.5 年。当双胞胎团聚时，特拉 43 岁，而史黛拉将会是 31 岁。史黛拉出错是因为她的假设错了，即假设她和特拉都是惯性观测者。作为惯性观测者，必须相对于宇宙的其余部分保持恒定的速度和方向。而特拉一直处于静止状态，因此她的速度恒定为零。但当史黛拉改变方向返程时，她输入的参考系与开始时的参考系不同。特拉和史黛拉现在对时空工作原理有了更深了解，而且，作为一对相差 11 岁的双胞胎，她俩是狭义相对论的完美典范。