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第13章 时间游戏:著名的双生子佯谬

爱因斯坦相对论给因果律加进了时间弹性,一个观测者随身携带的钟测量的时间称为原时,与相对观测者运动的钟所测量的时间是不同的。尽管这种差别只是在速度接近于光速时才变得显著,这个新的时间律还是带来了令人惊讶的后果。

著名的双生子佯谬已被谈得很多了。年龄为20岁的双生子,其中一个去作探索宇宙的旅行,他以297000公里/秒的恒定速度(光速的99%)飞到一个20光年之遥的行星上,并立即返回。他携带的钟表明他已经出门在外6年,但留在地球上的那一个却说已过去了40年。他们二人所经历的时间确实是不同的,生物钟也像原子钟一样会受影响。两兄弟的年龄也可以用他们心跳的次数来测量,宇航员回来时确实只有26岁,而他的同胞兄弟已是60岁。

这个惊人的结果由法国物理学家泡尔·郎之万于1911年作了解释:在所有连结两个事件(在双生子故事中是飞船从地球出发和回到地球)的世界线中,没有加速度的那一条所耗的时间最长。宇宙员在其航程中必须加速和减速,这两种情况的效果并不相抵消,他的原时因而总是比他的兄弟短得多(年龄的差别并不仅仅取决于旅行者的加速度,而且还有赖于航行的总持续时间,这里单讲加速度只是为将宇航员时间与地球时间作比较)。虽然看似荒唐,但双生子的幻想故事并不意味着爱因斯坦相对论的任何内在矛盾,而是表明了时间弹性的必然后果。

虽然相对论不允许我们运动得比光速更快,但它并非阻碍了而是促进了对深层空间的探索。将上面的双生子故事(其中假定瞬时加速)变一下,现在假定飞船有一个恒定的加速度(相对于它的瞬时惯性参考系),其大小等于地球表面上的引力加速度,这对宇航员来说要舒服得多。飞船的速度将迅速增大到接近于光速,而不能达到光速,飞船上的时间将过得比地球上慢得多。按照它自己的钟,飞船将用2.5年时间飞到最邻近的恒星(比邻星),它与地球相距4光年;经过大约4.5年,飞船就飞出了40光年;经过10年就到了银河系中心,而地球上将是过了15000年;在25年里(短于宇航员的年龄),飞船将能在整个可观测的宇宙中遨游一周,行程是300亿光年!但这时的飞船最好不要再返回地球,因为太阳早已将行星都烧成灰烬,自己也早已熄灭了。

可是,这个异想天开的航行是实现不了的,因为需要有巨大的能量来维持飞船的加速。最好的方法似乎是把飞船自身的物质转化为前进的能量,但即使转换效率为百分之百,飞船在到达银河系中心时所剩的质量已只有出发时的十亿分之一。