借由高速运动，我们可以跨入未来

本章将继续探讨同一主题，也就是爱因斯坦相对论的预测所引发的悖论。与前一章不同的是，我们将在此深入探究与时间本质有关、令人费解却引人入胜的概念，以及我们接近光速旅行时会受到什么影响。

本章悖论的故事情节犹如科幻小说，却符合每位物理系学生所学的主流科学概念。这些情节常被用来凸显相对论的意涵，即便目前的科学技术还无法达成。首先登场的是一艘几乎可以达到光速的宇宙飞船——虽然我们目前不可能建造出这种宇宙飞船，在原则上却完全可接受。而且由于宇宙飞船并未超过光速，我们不需要引用科幻小说中常见、未经证实的构想，例如《星舰奇航记》（即《星际迷航》） 中的曲速引擎，或取道高维度超空间中的快捷方式等。

接下来介绍我们的英雄人物出场，也就是设计这艘宇宙飞船的孪生兄妹鲍伯与爱丽斯。鲍伯留在地面上，爱丽斯负责驾驶宇宙飞船从地球出发，进行为时1年的星际往返旅行。回到地球的那一刻，她在生理上老了1岁，也感受到1年过去了，而且宇宙飞船上的所有时钟与计时装置都显示她离开地球正好满1年。

另一方面，鲍伯持续监控她的整个旅程，并且目睹了接近光速航行时，爱因斯坦相对论预测会出现的其中一个诡异现象：鲍伯看见宇宙飞船上的时间进行得比地球慢。如果他透过摄影机观察宇宙飞船内，就会看见一切以慢动作进行：诸如宇宙飞船上的时钟走得更缓慢，爱丽斯走动与说话的速度变迟缓等等。因此，对于宇宙飞船上爱丽斯而言1年的旅程，在鲍伯看来可能会历时长达10年。事实上，爱丽斯回到地球后发现她的孪生哥哥老了10岁之多，尽管她自己的生理年龄只老了1岁。

这件事本身还不足以构成本章标题的“悖论”。虽然上述现象听来诡异，但却完全符合爱因斯坦的相对论。上述老化的年岁差别只是我随便举的例子，完全按照爱丽斯航行的速度而定。举例而言，假使爱丽斯更加接近光速，随便一个人都可以透过直接了当的计算（以及关于相对论的一点点知识）得出宇宙飞船上的1年相当于地球上的100万年；换句话说，爱丽斯历时1天的星际旅行相当与地球上好几千年。不过，且让我们的讨论局限在宇宙飞船速度产生1年/10年时间差的情形，至少让爱丽斯返回地球时哥哥还在世。这个悖论的成因在于相对运动带来看似矛盾的结果。就这一点来看，这里的故事有点类似前一章的竿与谷仓悖论；不过，牵涉到时间本质的问题处理起来总是比距离更加棘手。注意到了吗？我们贸然选定恣意的参考坐标系，连带也决定时间该在一个坐标系里变慢，在另一个不会。我们在前一章已经邂逅相对论两大基本假设当中的第一个：一切运动都是相对的。我们来检验一下这个例子是否也适用。爱丽斯当然可以宣称，并非她的宇宙飞船正以近乎光速远离地球，而是地球正往反方向远离宇宙飞船而去。那么，究竟哪种才是真正的运动呢？难道爱丽斯不能说，在这1年的旅程中她一直都是静止的，是地球在移动，先是逐渐远离，之后再逐渐接近？透过摄影画面，她发现地球上逐渐远去的时钟，指针移动的速度比宇宙飞船上的钟慢，这个现象足以佐证爱丽斯所见的。在她返回地球后，老化程度较轻的人应该是鲍伯才对，因为在她出远门旅行的这1年里，地球上只经历了十分之一（一个月多一点点）的时间而已。以上就是本章的悖论。

相对运动所造成的这种对称性，多年来引起许多困扰。事实上，许多已发表的科学论文号称能够证明这个悖论否定了爱因斯坦的相对论，以及时间在某个参考坐标系里进行得比另一个坐标还慢的推论。也就是说，鲍伯与爱丽斯所见到的不过是某种视觉上的假象，时间其实根本没变慢。基于这两个参考坐标系之间所展现的对称性，乍看之下地球与宇宙飞船所经历的时间应该没有差别，因此当爱丽斯返回地球时，她与鲍伯的年纪依然相同。这意味着两个人的结论都错了？当然不可能两个人都对吧。

信不信由你，正确的答案是：鲍伯是对的。爱丽斯返回地球之后，确实比他年轻了些。问题在于，这个结果怎么过得了相对运动这一关？为什么看似完全对称的物理图像竟然错了？

为了破解这个悖论，我得说服读者们，在接近光速的情况下时间确实会慢下来，正如物体接近光速时长度会改变一样。首先，我们要仔细思考时间的本质。这也会帮助我们在下一章遇到时光旅行造成的悖论时，能够更快进入状况。