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你是否对克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）导演的科幻电影《星际穿越》（Interstellar）依然印象深刻呢？ 在电影中，由马修·麦康纳（Matthew McConaughey）所扮演的宇航员库珀（Cooper)在进行了几十年的宇宙航行后，再见到他的女儿墨菲（Murphy）时竟显得比女儿要年轻得多。 
这种场景在科幻电影中时常出现，令人感到惊奇。在爱因斯坦的狭义相对论中，它又叫做「双生子佯谬」。 著名理论物理学家，北京师范大学物理学系的赵峥教授为我们讲述「爱因斯坦与相对论」时，解说了这一「双生子佯谬」。 
01.什么是双生子佯谬相对论中，让人不可思议的一个例子就是双生子佯谬。 赵峥老师举例解释说，地球上的一对双胞胎兄弟，其中一个人坐宇宙飞船航行，根据相对论，这个航行的双胞胎兄弟回来回来以后比地球上那个显得年轻。 
如果有人坐飞船到比邻星去旅行，比邻星是离我们最近的恒星，非常近，有4.3光年。光走4.3年就到了。加速度越大，达到高速的时间就越短。假设飞船起飞以3倍的重力加速度加速。当然，这很难实现，因为加速度太大人类也无法承受。想一想，3倍的重力加速度，一个50公斤的人，一起飞突然一下150公斤的体重没有人能承受。 假如说3倍重力加速度我们还能承受，加速的结果是这个飞船加速到每秒25万公里，此时由于要节约燃料关闭发动机。这时飞船以25万公里/秒的速度往前飞，快到比邻星的时候再以3倍的重力加速度减速，到达后，以同样的方式返回。 飞船上的人觉得过了多长时间呢？ 7年。7年就可以完成这个航行。 地球上觉得过了多少年呢？ 12年。 他的双胞胎兄弟比他小了5岁，年轻了5岁。这个是相对论算出来的，有人觉得5岁看不出什么，人要生病一场也会显得挺老。可不可以更明显一点？ 可以，我们到银河系中心去旅行，从地球到到银河系中央2.8万光年。这次以2倍的重力加速度起步加速，飞到终点的时候再以2倍的重力加速度减速，始终保持2倍的重力加速度。假如你原来体重是50公斤，现在体重是100公斤，始终维持这样，也许比突然一下变成150公斤要好受一点，到了那里再回来。 飞船上的人觉得过了多长时间？ 40年。 地球上的人认为过了多少年？ 6万年。 所以，这些飞行员回来的时候，他认识的人早都作古了。赵峥老师开玩笑说，如果真的完成这样一个星际航行：
为什么双生子佯谬是对的呢？ 赵峥老师指出，相对论认为，在三维空间当中，一个人可以被看作为一个点，无论上下左右前后都是一个点，这个人若是运动的话，就会描出一根线来。把时间加上去后，他不运动也会描出一根线。这个人要是不动的话，就是与时间轴平行的一条直线；如果他运动的话，就是一条斜线或者一条曲线。相对论把这种四维时空中的一个人，或者一个质点描出来的曲线叫做「世界线」，世界线的长度在相对论中认为就是这个人经历的时间。 
现在我们看在地球上不动的这个人，就是三个空间坐标都固定的人。P点固定了，时间轴往前走，所以他描出的世界线是一根直线，而出去旅行的人先坐着飞船出去然后再回来与他相聚，他的世界线是一根曲线。这两根线的长度显然不一样，谁的世界线更长，谁就更老。 但是这么看的话，出去旅行的人应该显得比地球上的人更老。赵峥老师强调，实际上，直线比曲线要长。若是认为曲线比直线长，那便是上了伪欧几里德几何的当。在欧几里德几何当中，曲线就是比直线长；但是在伪欧几何中，时间符号和空间符号在差一个负号的情况下，这个曲线反而比直线要短了，所以出去旅行的人年轻，而地球上的人老。 对此赵峥老师解释道：
双生子佯谬是用爱因斯坦的狭义相对论解释的，但是在爱因斯坦提出狭义相对论之后，出现了两个问题： ◆一是惯性系没有办法定义； ◆一是万有引力定律纳不进相对论的框架。 于是10年后，爱因斯坦又提出了广义相对论。 02.「委屈的」爱因斯坦在直播中，赵峥老师谈到，爱因斯坦发现，惯性系以前被定义为存在一个绝对空间，相对于绝对空间静止或者匀速直线运动才有一对惯性系。但是爱因斯坦认为，不存在牛顿所说的绝对空间，这样一来，惯性系的定义就出现了问题。 于是，爱因斯坦干脆放弃了惯性系，他认为物理规律在所有参考系当中都是一样的，所以叫「广义相对性原理」。 广义相对论是爱因斯坦最得意的成就，赵峥老师在他的《物含妙理可堪寻》中也提到了爱因斯坦自己的说法：
可是，爱因斯坦获得诺贝尔奖不是因为相对论，而是因为光量子理论。 赵峥老师说到，爱因斯坦的相对论没有得诺贝尔奖，通知他获奖的时候，信里说是因为爱因斯坦解释光电效应的功绩给他诺贝尔奖。诺奖方的秘书顺便给他写了一封信，提到诺奖没有考虑爱因斯坦的相对论和引力定律一旦得到证实所应获得的评价。引力定律就是广义相对论，这两个最重要的成就没有得奖。 爱因斯坦的相对论从未得过诺贝尔奖，人们也许想过给他第二次诺贝尔奖，但最终没有给。历史上看，得过两次诺贝尔奖的一个是居里夫人，一次诺贝尔物理奖，一次诺贝尔化学奖，还有约翰·巴丁(John Bardeen）等人，也得了两次诺贝尔奖。 在赵峥老师看来，巴丁的成就都很了不起，应该得诺贝尔奖，但都不是决定性的贡献。爱因斯坦的相对论是绝对性贡献，但是没有得诺贝尔奖。可后来很多人因为研究爱因斯坦的工作得了诺贝尔奖，比如研究爱因斯坦最早预言激光和引力波的人都先后得奖了。 赵峥老师认为，爱因斯坦的工作还有很多可以获奖，比如说量子信息、量子纠缠、量子通讯，都有可能获奖，还有关于类星体和引力透镜效应，黑洞的研究，还有关于引力波的继续的探测，将来也会很多实验去继续研究。 03.爱因斯坦的创新爱因斯坦在中国几乎家喻户晓，他是天才的象征。可是，他的天才和科学创新在什么地方呢？ 赵峥老师认为，爱因斯坦的创新之处在于两点： 第一，爱因斯坦坚持相对性原理； 第二，爱因斯坦认识到光速不变原理。 爱因斯坦不承认绝对空间和以太，他认为，所有的惯性系都是平等的，只有他彻底坚持了相对性原理。 儒勒·亨利·庞加莱（Jules Henri Poincaré）是最早提出相对性原理的严格说法的人，他虽然不承认有绝对空间，但是他承认有以太。以太参考系就是个优越参考系，赵峥老师指出，庞加莱对这个问题的探讨不够彻底。 相对性原理实际上古已有之，爱因斯坦的功劳是认为相对性原理不仅对力学规律成立，而且对电磁学规律也成立，对其他的物理规律都成立。 爱因斯坦认为，他的相对论跟经典物理学以及牛顿物理学的分水岭，不是相对性原理，因为相对性原理是伽利略提出来的。它们真正的分水岭是光速不变原理。 光速不变原理，指的是光速与光源相对于观测者的运动无关。光速不变原理也就是光速恒定性假设，或者光速恒定性原理。 这个恒定性原理有两条。第一条是庞加莱说的，约定光速是各项同性的；第二点，假定光速是光源相对于观测者的运动速度无关，第二条是我们说的光速不变原理。 第一条庞加莱早就提出，第二条只有爱因斯坦提出来。提出光速不变原理就必须要有一个相对概念，所有当时的理论物理学家都没有谈到同时的相对性，只有爱因斯坦一个人谈到了。因此，他是光速不变原理的唯一提出者。 庞加莱很欣赏爱因斯坦，但他始终不同意相对论。庞加莱在当时推荐爱因斯坦到一个学校当教授的推进信里写到：
赵峥老师说，历史跟庞加莱先生开了一个大玩笑。历史表明，爱因斯坦彼时提出来的所有问题都是对的。爱因斯坦早在提出相对论时就预言了引力波的存在。后世科学家也在不断研究爱因斯坦的语言。2016年的2月11号，美国激光干涉引力波天文台Ligo宣布观测到引力波信号。 爱因斯坦传奇的一生，充满新奇想法的大脑，始终为人们津津乐道。 大众印象中的爱因斯坦是一个头发乱糟糟，叼个烟斗的老头。人们认为，那就是全世界最聪明的脑袋了。但赵峥老师向我们指出，不，全世界最聪明的脑袋应该是爱因斯坦20多岁30多岁的脑袋。他的重要发现，全部是在那个时候完成的。 
现在我们看到的科学家的照片往往都是爱因斯坦年老时候的照片，赵峥老师认为，这带来一个副作用，这可能使很多年轻人误以为，进行科学创造都是老年人的事。其实不然，当年做出新的、重大的创新成果的都是年轻人。老了的时候，学问是丰富了，但是创新能力也降下来了。 对此，赵峥老师特别说到，爱因斯坦在26岁时提出狭义相对论，36岁时提出广义相对论，这正说明了年轻人正处于做出科学创新成果的时期。 但毕竟不是每个年轻人都是爱因斯坦，如果说爱因斯坦和常人有什么区别的话，或许正如他所讲的那样：
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