Co to jest paradoks bliźniaczy? Podróż w czasie rzeczywistym

Paradoks bliźniaczy to eksperyment myślowy, który pokazuje dziwną manifestację dylatacja czasu we współczesnej fizyce, tak jak ją wprowadził Albert Einstein poprzez teorię względności.

Zastanów się nad dwoma bliźniakami o imieniu Biff i Cliff. W 20. urodziny Biff postanawia dostać się do statku kosmicznego i wystartować w kosmos, podróżując prawie prędkość światła. Przemierza kosmos z tą prędkością przez około 5 lat, wracając na Ziemię, gdy ma 25 lat.

Z drugiej strony Cliff pozostaje na Ziemi. Kiedy Biff powraca, okazuje się, że Cliff ma 95 lat.

Zgodnie z teorią względności dwie ramy odniesienia, które poruszają się inaczej, inaczej doświadczają czasu, proces znany jako dylatacja czasu. Ponieważ Biff poruszał się tak szybko, czas działał dla niego wolniej. Można to dokładnie obliczyć za pomocą Transformacje Lorentza, które są standardową częścią teorii względności.

Pierwszy paradoks bliźniaczy nie jest paradoksem naukowym, ale logicznym: Ile lat ma Biff?

Biff przeżył 25 lat życia, ale urodził się również w tym samym momencie co Cliff, który miał miejsce 90 lat temu. Czy on ma 25 lat czy 90 lat?

W takim przypadku odpowiedź brzmi „oba”... w zależności od sposobu pomiaru wieku. Zgodnie z jego prawem jazdy, które mierzy czas ziemski (i bez wątpienia upłynął), ma 90 lat. Według jego ciała ma 25 lat. Żaden wiek nie jest „właściwy” ani „zły”, chociaż administracja zabezpieczenia społecznego może przyjąć wyjątek, jeśli będzie starał się o świadczenia.

Drugi paradoks jest nieco bardziej techniczny i naprawdę dociera do sedna tego fizycy to znaczy, kiedy mówią o teorii względności. Cały scenariusz opiera się na założeniu, że Biff podróżował bardzo szybko, więc czas zwolnił.

Problem polega na tym, że w teorii względności zaangażowany jest tylko ruch względny. A co, jeśli weźmiesz pod uwagę rzeczy z punktu widzenia Biffa, to on cały czas pozostawał w bezruchu, a to Cliff szybko się oddalał. Czy obliczenia wykonane w ten sposób nie powinny oznaczać, że Cliff starzeje się wolniej? Czy teoria względności nie oznacza, że ​​sytuacje te są symetryczne?

Gdyby Biff i Cliff byli na statkach kosmicznych podróżujących ze stałą prędkością w przeciwnych kierunkach, ten argument byłby całkowicie prawdziwy. Reguły szczególnej teorii względności, które rządzą ramami odniesienia o stałej prędkości (bezwładnościowej), wskazują, że liczy się tylko ruch względny między nimi. W rzeczywistości, jeśli poruszasz się ze stałą prędkością, nie ma nawet eksperymentu, który można by wykonać w ramach zakresu odniesienia, który odróżniałby cię od odpoczynku. (Nawet jeśli spojrzałeś na zewnątrz statku i porównałeś się z jakimś innym stałym punktem odniesienia, możesz to tylko ustalić jeden z was porusza się, ale nie który.)

Ale jest tutaj jedno bardzo ważne rozróżnienie: Biff przyspiesza podczas tego procesu. Klif znajduje się na Ziemi, która w tym celu jest w zasadzie „w spoczynku” (chociaż w rzeczywistości Ziemia porusza się, obraca i przyspiesza na różne sposoby). Biff jest na statku kosmicznym, który podlega intensywnemu przyspieszeniu, aby odczytać go w pobliżu prędkości światła. Oznacza to, zgodnie z ogólna teoria względności, że w rzeczywistości Biff może przeprowadzić eksperymenty fizyczne, które ujawnią mu, że przyspiesza... i te same eksperymenty pokazałyby Cliffowi, że nie przyspiesza (lub przynajmniej przyspiesza znacznie mniej niż Biff).

Kluczową cechą jest to, że podczas gdy Cliff jest cały czas w jednym układzie odniesienia, Biff jest w rzeczywistości w dwóch ramy odniesienia - ten, w którym podróżuje on z dala od Ziemi i ten, do którego wraca do Ziemia.

Podobnie sytuacja Biffa i Cliffa nie faktycznie symetryczny w naszym scenariuszu. Biff jest absolutnie tym, który przechodzi bardziej znaczące przyspieszenie, a zatem jest tym, który przechodzi najmniej czasu.

Ten paradoks (w innej formie) został po raz pierwszy zaprezentowany w 1911 r. Przez Paula Langevina, w którym podkreślono ideę, że przyśpieszenie sam był kluczowym elementem, który spowodował to rozróżnienie. W opinii Langevina przyspieszenie miało zatem absolutne znaczenie. Jednak w 1913 r. Max von Laue wykazał, że same dwa układy odniesienia wystarczają do wyjaśnienia tego rozróżnienia, bez konieczności uwzględnienia samego przyspieszenia.