双生子佯谬里的相对论难题:加速运动真的绝对吗?（续）

题图：cheva用AI创作

前几天发帖讨论过科普作品中经常提到的双生子佯谬没有那么简单。当时问题还没讨论完，今天续上。先简单回顾一下，双生子佯谬就是说地球上的一对双胞胎，他们本来应该年龄一般大，但是如果把其中一个放在宇宙飞船上，以接近光速的速度去宇宙的深处旅行一圈，再回到地球时，留在地球上的弟弟会变成一个老头，而去太空旅行的哥哥只长了几岁。虽然狭义相对论中就有运动的时钟更慢的原理，但是仅用这条来解释这种情况是远远不够的，因为相对论更根本的原理是相对性原理，也就是所有的运动都是相对的，没有绝对的静止。从地球上的弟弟来看，运动的是哥哥，但是如果宇宙飞船上的哥哥以自身为参考系，那运动的就是整个地球和他的弟弟。运动的时钟变慢的原理同样适用于整个地球。这样根本就无法确定哪一个会变得更老。

真正能够说明哥哥的时间变得更慢的原因，并不是狭义相对论引起的时钟变慢效应，而是因为哥哥乘坐宇宙飞船要返回地球必然要经过加速过程，而加速运动在广义相对论中就等同于引力，引力也有时间膨胀效应。所以对于这个问题的解答就是，经历了加速运动的那一个才是时钟变慢的那一个。但是问题真的解决了吗？这个解答方案似乎隐藏着一个和相对论相违背的前提，那就是加速运动是绝对的，不管是哥哥还是弟弟都同意，在宇宙飞船上的那一个才是真正经历了加速运动的那一个人，这里面就没有相对性了。但是为什么是这样呢？相对论的相对性原理明明说所有的运动都是相对的，宇宙飞船上的哥哥完全可以把自己设为参考系，那么静止的人仍然是他自己，而是整个宇宙和地球在做加速运动，同样可以得出地球上的弟弟更年轻的结论。

这个问题还是得从牛顿说起。牛顿建立起了他的牛顿经典力学的大厦，统治整个科学界，直到相对论的提出。牛顿力学大厦有三大基础，有两大基础，就是时间和空间的绝对性，也就是绝对时空观。所谓绝对空间就是事物发生的舞台，它的性质均衡不变，永远存在，而绝对时间就是对所有的参照系来说时间都是一样的均匀流逝，没有开始也没有终结。和中国古语所说的“上下四方谓之宇，古往今来谓之宙”的观念非常的接近。

同时，牛顿的绝对空间观念，并不是像欧吉里德那样凭空提出的公理，他还设计了一个实验，来证明绝对空间是存在的——那就是著名的木桶实验。实验其实很简单，就是把木桶中装上大半桶水，然后用绳子把木桶吊起来，然后不停地旋转木桶，把悬挂它的绳子扭紧，扭得很紧之后，再把手松开，扭紧的绳子就会带动木桶反向高速旋转起来，最后会出现什么现象呢？其实稍有生活经验的人应该都想得到，由于旋转的木桶会产生离心力，木桶中的水会被推向木桶壁的方向，在木桶壁上堆积起来，就会形成一个越靠近木桶壁水面就越高，越靠近木桶中心水面就越低的凹面。这个时候牛顿就开始推理，旋转的木桶中，水和木桶可以认为是相对静止的，但是因为它们作为一个整体在进行旋转，如果这时设置一个和它们一样在旋转的观察者，在观察者看来，虽然木桶和他是相对静止的，但是他通过观察水面是否下凹，就能够知道自己是不是在真的旋转。旋转也是一种运动，既然是运动，如果抛开参考系来谈运动，那就是耍流氓。既然在这个系统中，观察者、水桶和水桶中的水，都是处于相对静止的状态，而水面下凹又说明整个系统在旋转，那这个旋转运动又是相对于谁来说的呢？由于这个系统中除了观察者、水桶和水之外，再没有其他的东西了，牛顿于是得出结论，它们在相对于绝对空间旋转，所以绝对空间是成立的。

而我们知道圆周运动实际上也是一种加速运动，这个结论也可以等效为加速度是绝对的。牛顿的论证非常严密，似乎确实让人无法反驳，如果没有人能够驳倒牛顿的话，那后面就没有相对论什么事了。不过这个人后来还是出现了，他是德国物理学家马赫，对，就是那个来命名音速的马赫。不过他的质疑在普通人看来近乎胡搅蛮缠。他说水桶实验并不能证明水桶是在旋转，如果水桶保持静止，而整个宇宙都在围绕着水桶旋转，那么水面也会下凹，加速运动也只是相对的，而所谓的离心力，加速现象，实际上是和宇宙中所有的事物，我们称之为星空背景，相联系的，共同作用的。这就有些近乎玄学了。虽然这种说法有点胡搅蛮缠，整个宇宙怎么可能围绕着一个水桶旋转呢？但是他却揭示了更深刻的道理，就是宇宙当中任何一个微小的局部发生的事情，都是和整个宇宙相联系，而且这种解释排除了牛顿的绝对空间的概念，给予爱因斯坦发现广义相对论极大的启发，在广义相对论中引力场的分布，就是与宇宙中天体的质量分布直接相关的。

同时，也可以这样比较简单的理解，为什么加速运动可以被看作是绝对的？当然事实上并不是，你可以把自己看成静止的，而是整个宇宙在加速，但是整个宇宙包含的质量是要远远大于你的，这就像是一种民主制，少数服从多数，如果整个宇宙都说我们是静止的，加速的是宇宙飞船上的哥哥，那么哥哥就是真正加速的那个，时间变慢的也就是他。下面是我的一点不成熟的理解，狭义相对论中各种不同的怪异现象，如时间变慢，同时的相对性，尺缩效应，都是反映出在不同的参考系下都对应着不同的现实，就像是现在影视作品中很流行的平行宇宙，虽然它们的关系是平等的，但实际上这就有点像少数服从多数的民主制，如果某个参考系包含更多的质量，当两个参考系发生关系时，那个质量更多的参考系的现实就要更真实一些。