2。假定雙生子B乘坐一高速飛船從原點出發,我們為B建立一個新座標B,其時間軸是一斜線OB,表示B隨着時間增長,離A越遠。請大家注意到B的空間軸如何選?如果與A的空間軸相同,則會違反光速不變原理,因為對B座標而言,光在一年裡走的距離不到一光年。為了滿足光速不變原理,B的空間軸和其時間軸應該對稱在光運動45度斜線的兩邊。這樣座標B是一個平行四邊形的座標,其空間軸和水平線翹起一個角度,使光運動45度斜線仍保持每年一光年的速度。這座標B的時間及距離的刻度和座標A也不一樣。考慮到相對觀察者運動越快,時間流逝越慢的原理,在與A的一年同時線(CD)相交處,B的刻度應小於一年。同樣,考慮到相對觀察者運動越快,長度越短的原理,在與A的一光年同距線相交處,B的刻度小於一光年。當B越接近光速,其時間及距離的刻度就越稀。現在再看座標B的同時線,它不再是一根水平線了,而是與其空間軸平行的斜線(FG)。
3。以上圖形非常清楚地顯示愛因思坦狹義相對論中同時性的相對性原理。座標A的觀察者對雙生子B的時間判斷用的是水平的CD一年同時線,他看到B上不到一年,B比自己年輕。反過來,座標B的觀察者對雙生子A的時間判斷是基於他的GF一年同時線,他的結論是A上時間也變慢了,A比自己年輕。這解釋了倆者都認為對方變慢了的餑論。(如果讀者有興趣的話,你可以用這圖形容易地推導出洛侖茨變換公式)
4。作為旅行的雙生子B,為什麼最終比雙生子A年輕呢?請看下一個圖形的演變。當雙生子B的飛船到達目的地S,在飛船減速前,B仍用高速行駛的同時線(SH)來觀察A並認為A比自己年輕。可是當他的飛船減速並最終停下來(相對於A靜止),B座標這時和A座標一樣為直角座標,B的同時線由斜線(SH)變回水平線(SP),這同時線在A時間軸上劃了一個大距離(時間)。這時B會驚奇地發現,A的時間已經飛躍了很多年(到P點) 。 注意,根據第二段的討論,OP的刻度比OS大,或OP代表的時間比OS長。B乘的高速飛船越接近光速,倆者時間差別越大。當B的飛船往回飛並加速到高速時,新座標M是一個左向的平行四邊形,新座標M會用同時線SR來觀察A。這時,B又發現A的時間再次飛躍了很多年(到R點)。在回歸的路上,儘管B用自己的同時線來觀察A並認為A的時間流逝比自己慢,但由於A在B的減速和加速過程中“虛度”太多年華,雙生子A還是比雙生子B老得多。