爱因斯坦狭义相对论中最著名最具挑战的双生子悖论
爱因斯坦在1905提出了狭义相对论，6年后的1911年，法国物理学家郎之万在意大利召开博洛尼亚大学召开的第四届世界哲学大会上提出了这么个问题：假设有一对双胞胎兄弟，弟弟呆在地球上不动，哥哥开着接近光速的飞船去宇宙里浪了一圈再回来。按照狭义相对论，运动的物体时间过得更慢，所以从地球上来看，显然是高速运动的哥哥时间过得更慢，那么等哥哥回到地球的时候，哥哥应该比弟弟更年轻。
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所谓悖论，就是命题中隐含着两个对立的结论。
1. 什么是双生子悖论？
狭义相对论中最著名的悖论，要数双生子悖论，也叫双生子佯谬（The Twin Paradox），同样是一个思维实验。
1.1 哥哥比弟弟年轻
假如有一对双胞胎兄弟，哥哥坐着一艘宇宙飞船，以接近光速的速度去太空里转了一圈，又回到地球上，而弟弟一直在地球上待着。问飞船回来以后，兄弟俩谁的年纪更大一些？
根据钟慢效应，由于哥哥的运动速度非常快，所以在弟弟看来，哥哥的时间流逝速度非常慢。这样等哥哥回来后，弟弟经历的时间更长，所以哥哥反而比弟弟年轻，哥哥就变成了弟弟，弟弟变成了哥哥。
1.2 弟弟比哥哥年轻
这样一个推论看似没有什么问题，但是这里面隐含着严重的逻辑矛盾。
虽然是哥哥坐着宇宙飞船去宇宙里转了一圈。但是在哥哥看来，何尝不是弟弟在地球上，地球相对于哥哥坐的宇宙飞船，也以接近光速的速度转了一圈。
因为运动完全是相对的，无论是哥哥还是弟弟，都会觉得自己是不动的，是对方在运动。
所以对于哥哥来说，应该是弟弟的时间流逝速度更慢。当自己回地球以后，哥哥应该更加年老，哥哥还是哥哥，弟弟还是弟弟。
【爱因斯坦狭义相对论中最著名最具挑战的双生子悖论】1.3 生活中的相对运动
相信你一定坐过高铁，不知道你有没有过这样的感受。
当你坐在高铁上，车还没有开动，在你坐的高铁旁边还有另外一列高铁。如果你望向窗外，发现对面的高铁开动了，这个时候你很有可能会产生错觉，你无法判断到底是对面的高铁开了，还是自己的高铁开了。
因为运动完全是相对的，你只能判断对面的高铁相对于你运动了。至于到底是你所乘坐的高铁开动了，还是对面的高铁开动了，你是无法判断的。
1.4 狭义相对论错了吗？
同理，在宇宙飞船的思想实验中，如果哥哥和弟弟不知道自己具体是在地球上还是在宇宙飞船上，只能看到对方的相对运动的话，就会产生钟慢效应的悖论。
也就是对于哥哥来说，弟弟更年轻了，而对于弟弟来说，哥哥也更年轻了，那么究竟是谁更年轻了呢？
但是很显然，一件事不会有两个结果。真要做这么一个实验的话，最终要么是哥哥更年轻，要么是弟弟更年轻。如果折中一下，两个人的时间流逝还是一样的话，那钟慢效应的推论不就破溃了吗？
2. 考虑整个加速的过程
2.1 狭义相对论的适用范围
与前两节的结论类似，狭义相对论的研究对象只能是做匀速直线运动的物体，不考有加速度的情况。加速度也属于广义相对论的讨论范畴。
2.2 双生子佯谬的逻辑跳环
如果真的分析一下这个思维实验，就会发现我们在逻辑上有一个巨大的跳环。
一开始，哥哥和弟弟都在地球上，两个人是相对静止的。之后哥哥坐上了宇宙飞船，宇宙飞船一路加速到接近光速，哥哥实实在在的经历了一个加速过程。
但是之前已经说了，狭义相对论只讨论匀速直线运动的情况，不考虑加速的情况。因此在分析这个问题的时候，不能只在狭义相对论的框架下来讨论，也必须要借助广义相对论。
2.3 狭义相对论并未破溃
其实仔细想一下就会发现，双生子悖论会遇到困难， 是因为哥哥最终要回到地球跟弟弟见面。这一见面，就会有谁更年轻的问题。
但是如果哥哥飞出去以后，一直不回地球的话，即便在哥哥看来，弟弟流逝的时间更慢，在弟弟看来，哥哥的时间流逝也更慢，这本身是没有矛盾的。
只要不存在最后哥哥回到地球与弟弟见面的环节，哥哥和弟弟各自的时间在自己看来都是正常的。而对于对方来说，只要没有验证的环节，狭义相对论就不会破溃。
2.4 双生子思维实验的验证
下面来看一个具体的例子。假设哥哥的飞行速度快到刚好使得弟弟看哥哥时间流逝的速度，是弟弟的十分之一，这个速度是非常接近光速的。根据相对运动，哥哥看弟弟的时间流逝速度也应该是自己的十分之一。哥哥出发的时候，两个人都是二十岁。
当弟弟看自己的时间过了一年的时候，他给哥哥发了一条信息，说：哥哥，我这里已经过了一年了，我现在21岁了。然而在哥哥看来，由于弟弟的时间过得非常慢，弟弟在发出这条信息的时候，哥哥自己已经过了十年了。
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并且对于哥哥来说，这十年间自己是以接近光速的速度在飞行的，所以弟弟发信时，哥哥离地球的距离大概是十光年左右。
而这条信息从发出到被哥哥接收到，又要花个十年左右。因为根据光速不变原理，这条信息要以光速跨越十光年的空间距离追上自己。所以当哥哥收到信息的时候，自己已经过了20年了。
哥哥收到信息后马上给弟弟回信，说：弟弟，我已经40岁了。其实这个时候哥哥可以推算出，弟弟应该是22岁。
但是在弟弟看来，整个过程就不是这样了。由于弟弟发信的时候自己只过了一年，所以哥哥离自己也只有一光年远，信息只需要追一光年的距离。
但是在信息追赶哥哥的过程中，哥哥还在继续以略低于光速的速度远离。所以弟弟会觉得信息追赶哥哥的速度非常慢。等哥哥收到这条信息的时候，弟弟这里已经过了远远超过20年的时间，与哥哥之间的距离也远远超过20光年。
还是根据光速不变原理，哥哥的回信在弟弟看来要以光速跨越这段很长的距离，还需要经过很长时间才能传到弟弟手中，而在回信中哥哥声称自己只有40岁。
这样一来就没有矛盾了。无论是哥哥还是弟弟，收到对方的信息后再跟自己现在的时间进行比较，都会发现从信息上看来，对方比自己年轻了。狭义相对论的钟慢效应对双方来说都是成立的。
3. 到底谁更年轻？
上面的分析仍然是在狭义相对论的范围内讨论问题。如果运用广义相对论，真的让哥哥返回地球跟弟弟见面，到底谁会更年轻呢？答案是哥哥，因为哥哥会经历速度改变的过程。
在广义相对论中，经历加速或减速的过程同样会使时间的流逝速度变慢。哥哥要想完成星际旅行，必须先加速，运动到最远处减速停下来，然后返航的过程再经历一次先加速后减速的过程。
根据广义相对论，哥哥完成这一系列动作，时间流逝一定是更慢的。
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