1905年，德國(guó)《物理學(xué)雜志》上發(fā)表了一篇名為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》論文，這正是20世紀(jì)偉大的物理學(xué)家，愛因斯坦關(guān)于狹義相對(duì)論的第一篇論文。

狹義相對(duì)論的基本表述：如果坐標(biāo)系K′是相對(duì)于坐標(biāo)系K作勻速運(yùn)動(dòng)而無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系，那么，自然現(xiàn)象對(duì)于坐標(biāo)系K′的實(shí)際演變將與相對(duì)于坐標(biāo)系K的實(shí)際演變一樣依據(jù)同樣的普遍定律。

一個(gè)新事物的誕生，必將會(huì)被人們所懷疑，尤其是當(dāng)時(shí)的“以太”學(xué)說(shuō)占據(jù)了大部分物理學(xué)家的思想。

以太（Ether）（或譯乙太；英語(yǔ)：ether或aether）是古希臘哲學(xué)家所設(shè)想的一種物質(zhì)，是一種被假想的電磁波的傳播媒質(zhì)，被認(rèn)為無(wú)所不在?！　?/span>

著名科學(xué)家笛卡兒認(rèn)為，物體之間的所有作用力都必須通過(guò)某種中間媒介物質(zhì)來(lái)傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無(wú)所有的，它被以太這種媒介物質(zhì)所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺(jué)，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球?qū)Τ毕淖饔昧Α?/span>

因此，1911年，法國(guó)物理學(xué)家郞之萬(wàn)一個(gè)有趣的思想實(shí)驗(yàn)“雙生子佯謬”作為反對(duì)狹義相對(duì)論的證據(jù)被提出。

它的內(nèi)容是：一對(duì)雙生子P和Q。P一直生活在地球，Q乘坐宇宙飛船去做星際旅行，最后返回地球，按照狹義相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)的會(huì)變慢，P看Q運(yùn)動(dòng)，Q看P也在運(yùn)動(dòng)，那么到底誰(shuí)的鐘慢，誰(shuí)更年輕呢？下面就讓我們一起進(jìn)入雙生子的世界吧！

首先我們需要了解一下狹義相對(duì)論中的幾個(gè)概念。

相對(duì)性原理：所有的慣性參考系都是等價(jià)的。

抽象的來(lái)說(shuō)明一下相對(duì)性原理。若一個(gè)質(zhì)量為M的物體相對(duì)于參考系K作勻速直線運(yùn)動(dòng)，只要第二個(gè)參考系K′相對(duì)于K作勻速平移運(yùn)動(dòng)，則該質(zhì)量相對(duì)于第二個(gè)參考系K′亦作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

童鞋們，請(qǐng)腦補(bǔ)一下該畫面，當(dāng)你和女友騎著馬，勻速馳騁在呼倫貝爾草原上，身處一個(gè)幸?？鞓?lè)的慣性系中，而我站在草地上望著你們的歡快的背影，身處在一個(gè)孤獨(dú)寂寞的慣性系中，此時(shí)此刻，我的心里......

唉，不多說(shuō)了，可在天空一只勻速飛翔的雄鷹卻按耐不住心中的寂寞，“嗷”的一聲叫了出來(lái)，響徹草原，此時(shí)我們?nèi)送瑫r(shí)仰望天空，注意，重點(diǎn)來(lái)了。你們二人看到這只鷹是勻速飛行，我看到的雖然是以另一個(gè)速度和方向飛去，但仍是勻速運(yùn)動(dòng)。這就是相對(duì)性原理。

真空中的光速相對(duì)于任何慣性系沿任一方向均為c。并且與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。由此可見，光速是多么有個(gè)性的一個(gè)物理量，我就是不變，你能拿我怎么樣？

洛倫茲變換的作用是：同一事件在兩個(gè)不同慣性系中的時(shí)空坐標(biāo)變換關(guān)系。即這件事在A慣性系的坐標(biāo)，在另一個(gè)慣性系B中的是多少，就可以通過(guò)洛倫茲變換求得。要得出該變換，就不得不請(qǐng)出物理學(xué)史上的一個(gè)偉大道具，火車。

同時(shí)，也是時(shí)候該展現(xiàn)一下靈魂畫手的畫功了。

一天，愛因斯坦乘火車去參加重要的會(huì)議，在車上，被B認(rèn)了出來(lái)，出于禮貌，B對(duì)愛因斯坦微笑的點(diǎn)了下頭，可愛因斯坦卻伸出了他的舌頭，以作回應(yīng)。（該表情也說(shuō)明了學(xué)物理的男生，都很幽默。所以妹紙們，找男盆友就去物理系吧！以后你們的生活會(huì)充滿了笑聲。）

言歸正傳。該一經(jīng)典時(shí)刻，也被站在地上的人A看到。設(shè)定，火車上的參考系為K，沿x軸方向前行。在愛因斯坦吐舌頭這一時(shí)刻，其時(shí)空坐標(biāo)為（x,y,z,t）,地上的人所在參考系為K′，其時(shí)空坐標(biāo)為（x′,y′,z′,t′）。那么洛倫茲先生，通過(guò)計(jì)算，就得到了如下公式：

該式就是著名的洛倫茲變換式。應(yīng)用于求同一事件在不同參考系中的時(shí)空坐標(biāo)。

式中γ(伽馬)稱為洛倫茲常數(shù)。

注意，接下來(lái)只要看到γ這個(gè)符號(hào)，都代表了上面等號(hào)右端的這個(gè)式子。且γ>1。

為了說(shuō)明這個(gè)相對(duì)論時(shí)空中的物理性質(zhì)，我們依然用火車作為栗子。如圖：

我們假定一輛火車以速度v前進(jìn)，火車的中點(diǎn)M處有一光源，在車頭有接收器Q，車尾由接收器P，火車所在參考系為K，地面的參考系為K′，火車上的人稱為A，地面上的人稱為B，并且地面的人站在M′點(diǎn)，在光源發(fā)出的時(shí)刻，M與M′兩點(diǎn)剛好重合。

由于A在以火車為參考系中，因此，他會(huì)看到這個(gè)光同時(shí)到達(dá)P和Q。其傳送時(shí)間相同。為車長(zhǎng)與光速的比值。但地面上的人B，由于火車相對(duì)于他在前進(jìn)。車頭離他原來(lái)越遠(yuǎn)，車尾離他越來(lái)越近。所以他會(huì)看到，光先到車尾，再到車頭。

同時(shí)的相對(duì)性說(shuō)明，某件事在一個(gè)參考系中是同時(shí)發(fā)生的，但是再另一個(gè)參考系中卻是不同時(shí)的，而是有先后順序。

So  what’s this？

咳咳，這件事依舊發(fā)生在火車上。如圖：

一輛以速度V 前進(jìn)的車子，車上有一對(duì)上下相對(duì)的鏡子，兩面鏡子之間的距離為D，當(dāng)一道光在鏡子中上下反射。那么對(duì)車?yán)锏娜藖?lái)說(shuō)，該過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間是：

但對(duì)于地面上的人來(lái)說(shuō)，其過(guò)程就發(fā)生了變化。如圖：

該圖說(shuō)明，下面的鏡子相對(duì)于車外面的人來(lái)說(shuō)，位置發(fā)生了變化，所以光通過(guò)的路徑也就發(fā)生了變化，車頂上下垂直距離不變，但從下面的鏡子到上面的鏡子之間的光路距離則變?yōu)長(zhǎng)。那么車外的人所經(jīng)歷的時(shí)間計(jì)算如下圖：

根據(jù)上面的驗(yàn)證，可以說(shuō)明，運(yùn)動(dòng)的鐘會(huì)變慢。就是相對(duì)論中的鐘慢效應(yīng)。

先別奇怪，按照同樣的思路，可以證明，運(yùn)動(dòng)的尺子也會(huì)變短。設(shè)L?為地面上的尺子，L?為火車上的尺子，可以得到其比值為：

唉，對(duì)偉大的小愛同志，已經(jīng)佩服到五體投地了。

好了，說(shuō)了這么多，讓我們一起進(jìn)攻主題，通過(guò)以上所學(xué)知識(shí)，就可以解釋其中的緣由。

讓我們?cè)倩仡櫼幌码p生子佯謬的內(nèi)容：

一對(duì)雙生子P和Q。P一直生活在地球，Q乘坐宇宙飛船去做星際旅行，最后返回地球，按照狹義相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)的會(huì)變慢，P看Q運(yùn)動(dòng)，Q看P也在運(yùn)動(dòng)，那么到底誰(shuí)的鐘慢，誰(shuí)更年輕呢？

畫出該物理過(guò)程示意圖：如下圖：

設(shè)P所用的參考系為K，由E到S出航途中，Q的參考系為K′，取出航方向?yàn)檎敲碖′相對(duì)K以速度v運(yùn)動(dòng)。E到S的距離為L(zhǎng)。在由S到E的歸航途中，Q所用的參考系為K′′，K′′相對(duì)于K以速度-v運(yùn)動(dòng)。

先分析出航過(guò)程。假定在K系中由一系列對(duì)好的時(shí)鐘，設(shè)在E處有鐘C?，在S處由鐘C?，鐘C?和鐘C?開始都指0時(shí)刻。在K′系中有鐘C′隨著Q一起運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)Q由E到S，在P來(lái)看，Q的速度為v，行程為L(zhǎng)，那么在此過(guò)程中，P自己所經(jīng)歷的時(shí)間為(C?或C?所走的時(shí)間)：

 從P來(lái)看Q由E到S所經(jīng)歷的時(shí)間為，由上述的鐘慢效應(yīng)可得：

那么在P看來(lái)，Q經(jīng)歷的時(shí)間短，所以Q會(huì)比自己年輕。

當(dāng)Q從E到S，在他所處的慣性系K′中，P是以速度-v遠(yuǎn)離自己。由同時(shí)的相對(duì)性，我們可以知道，對(duì)于P來(lái)說(shuō)，鐘C?和鐘C?都是處在他所在的慣性系K中，且開始都指向0，雖然鐘C?離得也就幾光年而已。但在Q來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)鐘卻是同時(shí)指0。在前往S的出航中，他會(huì)發(fā)現(xiàn)鐘C?比鐘C?快了δ。通過(guò)計(jì)算，可以得到δ的值為：

所以當(dāng)Q到達(dá)S時(shí)，雖然鐘C?上顯示的時(shí)間是和鐘C1相同，均為：                 

但是，Q卻覺(jué)得在他到達(dá)S的過(guò)程中，P所經(jīng)歷的時(shí)間為，這里用Т′P表示：            

而Q自己在運(yùn)動(dòng)中，由上述的尺縮效應(yīng)，E到S之間的距離已經(jīng)縮短了γ倍，因此，在Q看來(lái)，到達(dá)S時(shí)，自己經(jīng)歷的時(shí)間為：

所以在Q來(lái)看，出航過(guò)程中，他經(jīng)歷的時(shí)間比P長(zhǎng)，因此會(huì)覺(jué)得P比自己年輕。

可是事實(shí)卻是，當(dāng)Q與P重逢時(shí)，自己確實(shí)比P年輕。那其中的緣由是什么呢？

答案就是發(fā)生在Q到達(dá)S后，要返回E，必須減速，調(diào)頭，再加速到v，這個(gè)過(guò)程中，Q會(huì)發(fā)現(xiàn)P突然變老了。上面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，由同時(shí)的相對(duì)性，對(duì)Q來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)鐘卻是同時(shí)指0。在前往S的出航中，他會(huì)發(fā)現(xiàn)鐘C?比鐘C?快了δ。當(dāng)Q調(diào)頭之后，他從S到E，其所在慣性系也由K′轉(zhuǎn)到了K′′，那么他會(huì)發(fā)現(xiàn)，鐘C?比鐘C?快了δ，所以，在減速，調(diào)頭，加速，這一過(guò)程中，Q發(fā)現(xiàn)P的實(shí)際年齡增大了2δ。而Q自己卻在很短的時(shí)間內(nèi)完成了這一過(guò)程?？梢院雎圆挥?jì)了。而再次加速到v返回到E的過(guò)程中，在Q看來(lái)，和出航一樣。

因此，由上所述。從P,Q分開到再次相聚，他們各自經(jīng)歷的總時(shí)間為：

因此，重逢后，Q發(fā)現(xiàn)P比自己要大很多，這要取決于航行的距離和速度。

可怕的事情就發(fā)生了，銀河系的半徑約為五萬(wàn)到十萬(wàn)光年，乘坐飛船到銀河系中心再返回來(lái)，其過(guò)程均以兩倍重力加速度進(jìn)行加速減速運(yùn)動(dòng)，那么他所經(jīng)歷的時(shí)間大概需要四十年。但地球上的人們卻經(jīng)歷了六萬(wàn)年...年...年......

前幾天才看完星際穿越，在影片結(jié)尾處，出現(xiàn)了這個(gè)鏡頭，庫(kù)珀經(jīng)歷了種種波折，通過(guò)跨越維度，將黑洞的相關(guān)參數(shù)傳給了女兒墨菲，墨菲計(jì)算出了方程式，最終挽救了人類?？墒钱?dāng)父女二人再次見面時(shí)，墨菲已然成了子孫成群的老太婆，而庫(kù)珀依舊很年輕，其年齡差距不是一般的小。這可以說(shuō)是雙生子佯謬的最直接的效果。