爱华网双生子佯谬是一个有关狭义相对论的思想实验。内容是这样的：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作接近光速的长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。这个结果是由狭义相对论所推测出的（移动时钟的时间膨胀现象），而且是能够透过实验来验证：我们能够探测到于大气层上层产生的μ介子。如果没有时间膨胀，那些μ介子在未到达地面之前就已经衰变了。
双生子佯谬_双生子佯谬 -简介
双生子佯谬
双生子佯谬是一个有关狭义相对论的思想实验。内容是这样的：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年青。
这个结果是由狭义相对论所推测出的（移动时钟的时间膨胀现象），而且是能够透过实验来验证：我们能够探测到于大气层上层产生的μ介子。如果没有时间膨胀，那些μ介子在未到达地面之前就已经衰变了。
但如果我们从宇宙飞船上的兄弟的角度去想这个问题，我们似乎会得出矛盾的结果：旅行者在宇宙飞船中会看到地球以高速离他而去，然后又高速回来。他可以认为他在地球上的兄弟才是移动时钟，所以是他的兄弟才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。狭义相对论指出所有观测者都有同等意义，没有任何一个参考系（frame of reference）是会获得优待的。因此那旅行者会预期回到地球后会看见比他更年轻的双生兄弟，但这就与他兄弟的想法恰好相反──那么究竟谁的想法才是正确呢？
结果是旅行者的期望是错误的：狭义相对论并没有说所有观测者都有同等意义，而是只有在惯性系中的观测者（即没有进行加速运动的观测者）才有同等的意义。但宇宙飞船在旅途中亳无疑问是至少加速过一次的，所以旅行者并不是惯性系。反之，留在地球上的兄弟在整个航程中都是在惯性系之中（如果我们忽略源自地球质量及移动所带来的相对较小的加速度），所以他能够把他跟他兄弟分辨开来。
有些人在解决这吊诡时会认为狭义相对论并不能够用于加速中的物体，而只可使用广义相对论，这是不正确的。举个例说，该对双生兄弟的年龄是可以借着求时空间隔（spacetime interval）在他们任何一个惯性系中所行走的时空路径（这些路径被称为世界线（worldlines））上的积分来准确地计算出来的。近似的方法可以用来计算一加速中的宇宙飞船的相对性行为（参看相对性火箭）。狭义相对论唯一不适用的情况是当重力的影响是不能被忽略的时候，这时我们就真的需要用到广义相对论。
双生子佯谬_双生子佯谬 -狭义理解
双生子佯谬
狭义相对论中关于时间延缓的一个似是而非的疑难。按照狭义相对论，运动的时钟走得较慢是时间的性质，一切与时间有关的过程都因运动而变慢，变慢的效应是相对的。于是有人设想一次假想的宇宙航行，双生子甲乘高速飞船到远方宇宙空间去旅行，双生子乙则留在地球上，经过若干年飞船返回地球。按地球上的乙看来，甲处于运动之中，甲的生命过程进行得缓慢，则甲比乙年轻；而按飞船上的甲看来，乙是运动的，则乙比较年轻。重返相遇的比较，结果应该是唯一的，似乎狭义相对论遇到无法克服的难题。
事实上双生子佯谬并不存在。狭义相对论是关于惯性系之间的时空理论。甲和乙所处的参考系并不都是惯性系，乙是近似的惯性系，乙推论甲比较年轻是正确的；而甲是非惯性系，狭义相对论不适用，甲不能推论乙比较年轻。其实根据广义相对论，或者甚至勿须用广义相对论，设想一个甲相对乙作变速运动的特殊过程：很快加速-匀速-很快减速然后反向很快加速-匀速-很快减速，按照狭义相对论，仔细考虑其中的时间延缓和同时性的相对性，可以得出无论从甲或乙分析，结论是相同的，都是飞船上的甲要比乙更年轻。乙留在地面等待甲，甲乘飞船作太空旅行，甲所乘坐的飞船在启动、调头、减速降落这些过程的加速、减速，都是相对于乙所在的惯性系而言的，所以这些过程没有什么附加的特殊效应，又因这些过程的时间都很短，所以可以将其忽略；而认为甲及其所乘坐的飞船静止不动，乙在飞离甲及甲所乘坐的飞船时，乙在启动、调头、减速这些过程的加速、减速，是相对于甲所处的非惯性系而言的。按照广义相对论的等效原理，相当于考察乙的运动的参考系中有一个引力场，虽然甲和乙都处在这一引力场中，但因他们在引力场中所处的位置不同，因而引力场对他们的影响也就不同。在乙启动及减速降落时，甲和乙距离较近，他们的引力场势相差不大，引力场对他们时间的流逝的影响也相差不大，所以仍可将这部分较短的时间忽略。而在乙调头时，由于甲和乙的距离非常遥远，这时乙的引力场势远高于甲，它使乙的时间比甲流逝得要快的多，或者反过来说，它使甲的时间比乙流逝得要慢的多。这一影响超过了乙相对于甲匀速运动期间速度v对时间的影响，使乙飞行归来与甲会合时，乙仍然要比甲变老了。所以乙调头这一过程在考虑“双生子佯谬”问题时是不能忽略的。
运用广义相对论进行计算的结果，可知乙飞行归来与甲会合时，甲仍然是21岁，而乙是90多岁。
1966年用μ子作了一个类似于双生子旅游的实验，让μ子沿一直径为14米的圆环运动再回到出发点，实验结果表明运动的μ子的确比静止的μ子寿命更长。
双生子佯谬_双生子佯谬 -理论诞生
1905年9月，德国《物理年鉴》杂志刊登了一篇《关于运动物体的电动力学》的论文，它宣告了狭义相对论假说的问世。正是这篇看似很普通的论文，建立了全新的时空观念，并向明显简单的同时性观念提出了挑战。我们知道由爱因斯坦狭义相对论可以得出运动的物体存在时间膨胀效应。在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P．朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方。
双生子佯谬_双生子佯谬 -例子
假设我们一家来到了美国科学家伽莫夫笔下汤普金斯先生曾经梦游过的城市，在这座城市里由于速度极限（光速）很低，所以相对论效应非常显著。来到这座城市后，我们进了一家瑞士钟表店，每人选了自己喜欢的一块表并要求营业员把三块表的时间调成一致。随后，我们来到了一家游乐园，其中一个游乐项目是乘坐光速飞车，其实飞车的速度并没有达到光速。我站在起点A处，帮儿子把安全带系牢，儿子高兴地坐在A点的光速飞车里。我妻子站在终点B处，A与B之间的距离为L。车马上要出发了，我下意识地对了一下自己和儿子的表，时间一分一秒都不差。抬头再看终点处妻子的表，我发现妻子的表比我的表慢了一些。来不及多想车已经象离弦的箭一样冲了出去。我突然发现儿子的表越走越慢，当然是相对我的表而言，最后到达终点时与我妻子的表一致了。看来瑞士表的质量也不怎么样，我打算玩完回去后把表给退了。在回来的路上我看了一眼妻子和儿子的表，奇怪！怎么我们的表显示的时间分秒不差，我明明看见他们俩的表比我的慢了呀！我把我的发现告诉了我的妻子，她说她也觉得挺奇怪的，但是与我所说的现象稍有些不同。在终点处，她发现我和儿子的手表都比她的表慢了，但当儿子乘坐飞车向她驶来时，儿子的表却变得越来越快，最后到达终点时竟与她的表一致了。这时候儿子也加入了我们的谈话，他告诉了我他的发现，他是这样描述的，在起点处他发现爸爸的表跟他的表时间是一致的，妈妈的表走得比他的慢，当车运动起来后，爸爸的表变慢了而妈妈的表比原来快了，最后当他到达终点时妈妈的表与他的表又一致了。
从上面这个例子中，我们看到由于三个人所处的状态不同，得出的结论也大相径庭。但都有一个共同的特点，就是每个人都是以他本人的时间为基准作出判断的。我们知道光速是有限的，光在空间运行是需要时间的。当所研究的对象涉及到空间大尺度范围或当物体运动的速度大到可以与光速相提并论时，光通过空间两点所需的时间就不能不考虑进来，这样通常在小尺度低速度情况下被认为是同时发生的两个事件就不能再认为是同时的了。爱因斯坦也正是从时间的同时性入手，提出了狭义相对论。在我们生活的宇宙中，时间是非物质的量，它是为了描述物体运动而人为引进的一个物理概念。经典物理对时间是这样定义的“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地，与任何其他外界事物无关地流逝着”。这一定义在研究空间小尺度范围或低速运动的物体时，无疑是正确的，因为它暗含这样一个概念即时间的同时性是绝对。但在研究空间大尺度范围或高速运动的物体时，这一定义是否仍然有效，取决于对时间的同时性是如何定义的，同时还要看空间两点两个事件发生的时间是如何记录的。
假设有两个完全一样的钟被放置在AB两地。我们可采用中点对钟法将两地的钟校准。我们说发生在AB两地的两个事件是同时的，如果AB两地的钟所指示的时间是一样的话。这个结论暗含有这样一个条件即在AB两地分别有两个观察者记录本地事件发生的时间，然后再将两个时间进行对比，判断这两个事件是否是同时发生的，判断的结果与AB两地的位置无关。从这个意义上说时间的同时性是绝对的。我们再看另一种情况，我们仍采用同样的方法将AB两地的钟校准。从A点观察AB两地同时发生的两个事件，得到的结论是A地的事件先于B地的事件，相差的时间与两地之间的距离有关。同理，从B点观察AB两地同时发生的两个事件，得到的结论则是B地的事件先于A地的事件。按照这个结论，时间的同时性又是相对的。所以说时间的同时性是相对的还是绝对的完全取决于时间是如何测量的。狭义相对论所涉及的是后一种情况。
运动物体的情况又如何呢？假设有一枚火箭从A点运动到B点。火箭上装有校对好的时钟。我们仍采用中点对钟法在AB两点之间A1、A2、A3．．．放置一系列校对好的时钟，并在A1、A2、A3．．．的每一个位置上都设有一个观察员记录火箭经过的时间。一切就绪火箭出发了。在A点的观察员立刻发现火箭上的钟变得越来越慢了，时间变慢的速度与火箭的速度有关。而据A1、A2、A3．．．的观察员报告，火箭在通过他们所在的位置时，火箭上钟的指示与本地钟的指示是一样的。而在B点观察员则发现，在火箭未出发前，火箭上钟的指示已经比B点的时间慢了一些，但随着火箭逐渐接近，火箭上的时钟却变得越来越快，当到达B点时竟然与B点的时钟是一样的。如果在火箭里也有一个观察员，他会得到这样的结论即当火箭运动起来后，A点的钟变慢了，B点的钟变快了而沿途所经过的钟所指示的时间与火箭上的时间是一致的。在上面的例子中，火箭相对于A和B的运动方向是不同的，所以从A点和B点观察的结果也应是不同的，相对于A点时间是变慢了，相对于B点时间是变快了。时间是变快了还是变慢了取决于观察者与被观察的物体之间的距离是增加还是减少了，变快变慢的速度与两个物体之间的相对运动速度有关。下面我们将定量的分析上面的例子。
双生子佯谬_双生子佯谬 -得出公式
我们仍用上面所举火箭的例子，将两个校准好的时钟分别放置在AB两地。火箭以速度V从A点向B点运动。AB两点之间的距离为S。令ΔT1为火箭经过AB两点时，在AB两点的观察员所记录的时间之差。令ΔT2为在A点的观察员记录火箭经过AB两点的时间差。当物体达到B点时，光返回A点所需的时间为AB之间的距离S除以光速C。根据以上条件，我们可以得到：
ΔT2－ΔT1= S／C （1）
S=V×ΔT1 （2）
将（2）式代入（1）经过整理后得到；
ΔT1=ΔT2÷（1+V／C） （3）
分析（3）式我们可以看出，当火箭运动的速度V=C时，ΔT2=2×ΔT1；当火箭运动的速度V＜＜C时，ΔT1≈Δ2，由于1＋V／C≥1，所以ΔT2≥ΔT1。我们得到一个结论，火箭上的时间变慢了即时间膨胀，当然这是从A点观察所得到的结论。如果从B点观察，结论又是怎样呢？我们仍然令ΔT1为火箭经过AB两点时，在AB两点的观察员所记录的时间之差，ΔT2为在B点的观察员记录的火箭从A点到B点的时间差，光从A点到B点所需的时间为S／C。与上面类似我们可以得到：
ΔT1－ΔT2= S／C （4）
S=V×ΔT1 （5）
将（5）式代入（4）经过整理得到：
ΔT1=ΔT2÷（1－V／C） （6）
从（6）式我们可以看出，当火箭运动的速度V=C时，ΔT2为零，也就是说当你看到火箭出发时，火箭已经到了你跟前了；当火箭运动的速度V＜＜C时，ΔT1≈ΔT2，由于等式1－V／C≤1，所以ΔT2≤ΔT1。所以我们又得出一个相反的结论，火箭的时间变快了即时间收缩了。
到目前为止，我们都是在基于光速不变这样一个前提下讨论问题的。光速不变假设是爱因斯坦从迈克尔逊-莫雷为证明以太存在所做的干涉实验的否定结果中得出的推论。在上面的讨论中，运动物体的速度V是这样得到的，在AB两地分别放置两个校准好的时钟，AB两地之间的距离为L。在A点记录物体出发的时刻，在B点记录物体到达的时刻，用两地之间的距离L除以两地所记录的时间差，就得到了运动物体的速度，这样计算的结果与两地之间的距离无关。当然还可以用另一种方法，在A点记录物体发出的时刻，在物体经过B点返回到A点时，记录物体到达的时刻，用两倍的距离L除以在A点记录的时间差，就得到运动物体的速度。这两种算法的结果是一样的。如果从A点来观察运动的物体在一去一回时速度是否是一样呢？用我们上面所得到的时间膨胀和时间收缩效应的结论，我们可以得出，物体在离开A点后，速度是变慢的，而当物体从B点返回时，速度又是变快的，当然这是从A点观察所得到的结果。
狭义相对论还存在另外一种效应即尺缩效应。可以采用同样的方法，证明运动物体的长度随观察者与运动物体之间的距离的减少，还存在长度伸长的效应。通过以上讨论，我们清楚了，同时性是相对的还是绝对的取决于观察时间的方法，离开这一点强调同时性是相对的还是绝对的是没有意义的。即使按照同时性是相对的观点，时间除了膨胀效应外，还应有收缩的效应，所以说双生子佯谬本身是不存在的。
双生子佯谬_双生子佯谬 -存在矛盾
按照狭义相对论，运动的时钟走得较慢是时间的性质，一切与时间有关的过程都因运动而变慢，变慢的效应是相对的。于是有人设想一次假想的宇宙航行，双生子甲乘高速飞船到远方宇宙空间去旅行，双生子乙则留在地球上，经过若干年飞船返回地球。按地球上的乙看来，甲处于运动之中，甲的生命过程进行得缓慢，则甲比乙年轻；而按飞船上的甲看来，乙是运动的，则乙比较年轻。重返相遇的比较，结果应该是唯一的。这就是双生子佯谬问题。
这个问题给人们的思想造成了很大的混乱，支持狭义相对论的人给出了各种各样的解释，每一种解释看上去都有一些道理，但同时也都让人觉得有一些牵强，总不是那么令人信服。许多解释都是什么这个惯性系或者那个非惯性系的，倒过来倒过去地让人分不清东南西北，最后搞得你晕头转向不得不点头：他说的好像是对的。
存在这种混乱的原因主要有两个：一是没有搞清楚运动和时间的因果主次关系，没有认识到时间是由物质的运动产生的，没有认识到钟的快慢变化是由钟的不同运动状态所决定的，而是认为物质随着时间的流逝而运动，认为钟的变化是由时间引起的，是时间的性质；另一个是没有搞清楚个体时间与系统时间的关系，把个体时间与系统时间混为一谈，在两个参考系中分别设立了一个时间标准，然后比较这两个标准谁更准确谁更标准。
时间是由运动产生的，是时间随着物质运动的变化而变化，而不是物质随着时间的流逝而运动。不同的个体拥有不同的个体时间，不同的运动方式必然会造成不同个体时间的不同变化。双生子作为两个不同的个体，他们各自拥有自己的时间，即使在同一个参考系中，它们的个体时间也是不同的，即使让他们两个人同吃同睡同劳动，他们在个体时间上还是会表现一些差异来，他们是同一时刻出生的吗？他们会在同一时刻脸上长出同一条皱纹吗？他们会在同一时刻死去吗？如果他们不能在同一时刻脸上长出同一条皱纹，如果他们不能在同一时刻死去，那么他们之间必然还存在着一个谁看上去更年轻的问题，谁的时间延长了的问题。别说乘坐飞船，只要把他们放到不同的环境中过上一段时间，他们的年龄看上去都会有明显的差别，在农村田地里劳作的兄弟看上去会比坐办公室的哥哥更为年老。我们能不能就此说哥哥的时间膨胀了或者说哥哥的时间延长了？同样的道理，两个不同的时钟即使是放在一起，过上一段时间它们的快慢也会有所不同，那我们说时间到底是膨胀了还是缩短了呢？
运动决定时间，不同的个体其个体时间必然是不同的，并不只是在选择了不同的参考系以后才发生这种现象，而是在不同的个体中一直存在着不同的个体时间。
双生子谁看着更年轻或者时钟到底是变快还是变慢，关键要看不同的运动状态对他们自身的运动所施加的影响，他们的最终状态是由运动决定的，而不是由时间决定的。不是因为运动使时间膨胀了所以钟就走慢了双生子就看上去年轻了，而是运动改变了钟的运行速度和双生子的身体状况，所以才会在他们的时间和年龄上看去有些不同。如果高速运动的结果是加快人体的衰老，那么即使飞船上拥有更多的时间，飞船上的兄弟看上去也会显得更老。如果高速运动对钟的影响是加快了它的运动速度，那么我们看到的将不是时间膨胀了而是时间缩短了。举两个比较极端的例子，如果参考系是在崎岖的山路上颠簸，结果把钟颠簸坏了，停止计时了，那我们是不是就能由此得出时间无限膨胀的结论呢？我们也知道，发射飞船时，飞船的加速度是不能保持太长时间的，因为过大的加速度和过长的时间都会导致宇航员的死亡。在这种情况下，飞船上的双生子别说看上去会更年轻，他可能连一天都活不下去，如果飞船上的双生子死亡，他的个体时间必然是缩短了，那飞船这个参考系中的时间算是膨胀了还是缩短了呢？我们总不会又说是地球上的双生子的时间膨胀了吧？
矛盾的另一个地方在于，没有确定系统时间。在这个问题中飞船上有一个计时系统，地球上也有一个计时系统，最后又是对这两个计时系统的时间进行比较，看哪个更长或者哪个更短，这其实就是把两个个体时间放在一起比较。我们已经讨论过，不同的个体有着自己不同的时间，如果没有一个统一的标准，个体时间是不能放在一起进行比较的，我们能把两块不同的手表放在一起比较出它们哪个更准确吗？我们能说比较慢的那一块时间膨胀了，比较快的那一块时间缩短了吗？
在一个系统中只能采用一个“个体时间”作为标准，决不能采用两个个体，只有在不考虑误差的时候才可以使用两个个体作为标准。在这个问题中，我们只能采用一个时间作为标准，要么以地球时间为准，要么以飞船时间为准， 而不是地球、飞船两个都准。确定了系统时间以后，不管做什么样的运动，不管选择什么样的参考系，他们的系统时间都是一样的，它们所经历的时间都是相同的。我们不会因为神州七号飞船每天绕地球16圈，宇航员每天能看到16次日出日落就认为宇航员比我们多活了15天或者我们比宇航员少活了15天。在选定系统时间以后，坐飞船的兄弟度过了10个飞船日，那么地球上的双生子也是过了10个飞船日；地球上的兄弟过了10个地球日，那么乘飞船的兄弟也是过了10个地球日，决不会有所不同。如果地球上的双生子过了10个地球日飞船上的兄弟才过了9个地球日，那么这种情况的出现才算得上是时间膨胀。我们想想，有这种可能吗？
相对论所谓的时间膨胀最多只是个体时间的延长而已，不是系统时间的膨胀。如果双生子一个酷爱体育运动一个不喜欢运动，那么热爱运动的双生子的寿命可能会要更长一些，但是他们的系统时间还是一样的，是不会发生任何变化的，兄弟俩你过一天我也过一天，你过一年我也过一年，决不会是爱运动的那个兄弟一天的时间能比另外一个多出了1个小时。
双生子佯谬反映出的不只是狭义相对论在时间认识上的局限性，还暴露出一个更为深刻的矛盾，那就是我们的物理学在时间认识上的误区，我们在时间、长度、速度、距离的定义上存在着问题。
双生子佯谬_双生子佯谬 -双生子佯谬的本质
双生子问题的产生在于爱因斯坦定义的时间与牛顿不同，运动参照系的时间是运动参照系内的钟，依赖真空传递到观测系的示数，代表运动参照系的时间。（参见《论动体的电动力学》）
一个光钟以0.5倍光速远离，1秒时到达0.5光秒处，但这个事件，将在0.5秒后被原点观测者看到，于是原点观测者看到，1.5秒，远离的钟显示1秒；3秒时显示2秒，因此认为远离的钟变慢。
物理事实是远离的钟并没有变慢，爱因斯坦定义的时间不对。（参见：科学、客观、时间定义）
事实上由于爱因斯坦没有找到光介质，不知道，由于介质的不同，光钟会显示很多不同的结果，他没有用波学原理来分析光现象。空气、水、玻璃等等许多物质都是光介质。
