Czym jest paradoks bliźniaków? Podróż w czasie rzeczywistym

Wprowadzony przez Alberta Einsteina poprzez teorię względności

Zgodnie z Twin Paradox, dwa zegary (lub ludzie) poruszające się z różnymi prędkościami doświadczają czasu w różnym tempie. Garry Gay/Getty Images

Paradoks bliźniaków to eksperyment myślowy, który demonstruje ciekawą manifestację dylatacja czasu we współczesnej fizyce, jak to wprowadził Alberta Einsteina poprzez teorię względności.

Rozważmy dwóch bliźniaków o imionach Biff i Cliff. W swoje 20. urodziny Biff postanawia wsiąść na statek kosmiczny i wystartować w kosmos, podróżując prawie o prędkość światła . Podróżuje po kosmosie z tą prędkością przez około 5 lat, wracając na Ziemię w wieku 25 lat.

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

Co się stało?

Zgodnie z teorią względności dwa układy odniesienia, które poruszają się w różny sposób, inaczej doświadczają czasu, proces znany jako dylatacja czasu . Ponieważ Biff poruszał się tak szybko, w rzeczywistości czas płynął dla niego wolniej. Można to dokładnie obliczyć za pomocą Transformacje Lorentza , które są standardową częścią teorii względności.

Bliźniaczy paradoks jeden

Pierwszy paradoks bliźniaków nie jest tak naprawdę paradoksem naukowym, ale logicznym: Ile lat ma Biff?

Biff przeżył 25 lat życia, ale urodził się także w tym samym momencie co Cliff, czyli 90 lat temu. Więc ma 25 czy 90 lat?

W tym przypadku odpowiedź brzmi „oba”… w zależności od tego, w jaki sposób mierzysz wiek. Według jego prawa jazdy, które mierzy czas ziemski (i bez wątpienia straciło ważność), ma 90 lat. Według jego ciała ma 25 lat. Ani wiek nie jest „dobry” ani „zły”, chociaż administracja zabezpieczenia społecznego może odjąć, jeśli próbuje ubiegać się o świadczenia.

Bliźniaczy paradoks dwa

Drugi paradoks jest nieco bardziej techniczny i naprawdę sprowadza się do sedna tego, co…fizycymają na myśli, gdy mówią o względności. Cały scenariusz opiera się na założeniu, że Biff podróżował bardzo szybko, więc czas dla niego zwolnił.

Problem polega na tym, że w teorii względności chodzi tylko o ruch względny. Co z tego, że rozważymy rzeczy z punktu widzenia Biffa, to on przez cały czas pozostawał nieruchomy, a to Cliff oddalał się z dużą prędkością. Czy obliczenia wykonane w ten sposób nie powinny oznaczać, że Cliff starzeje się wolniej? Czy teoria względności nie sugeruje, że te sytuacje są symetryczne?

Gdyby Biff i Cliff byli na statkach kosmicznych poruszających się ze stałą prędkością w przeciwnych kierunkach, ten argument byłby całkowicie prawdziwy. Reguły szczególnej teorii względności, które rządzą stałymi (inercyjnymi) układami odniesienia, wskazują, że liczy się tylko względny ruch między nimi. W rzeczywistości, jeśli poruszasz się ze stałą prędkością, nie ma nawet eksperymentu, który możesz przeprowadzić w swoim układzie odniesienia, który odróżniałby cię od pozostawania w spoczynku. (Nawet gdybyś wyjrzał poza statek i porównał się z jakimś innym stałym punktem odniesienia, mógłbyś tylko to ustalić jeden z was porusza się, ale nie który.)

Ale jest tutaj jedno bardzo ważne rozróżnienie: Biff przyspiesza podczas tego procesu. Cliff znajduje się na Ziemi, która dla celów tego jest zasadniczo „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 prędkość bliską prędkości światła. Oznacza to, zgodnie z ogólna teoria względności , że faktycznie istnieją fizyczne eksperymenty, które Biff mógłby przeprowadzić, które ujawniłyby mu, że przyspiesza… a te same eksperymenty pokazałyby Cliffowi, że nie przyspiesza (lub przynajmniej przyspiesza znacznie mniej niż Biff).

Kluczową cechą jest to, że podczas gdy Cliff jest w jednym układzie odniesienia przez cały czas, Biff jest w rzeczywistości w dwóch układach odniesienia - tej, w której oddala się od Ziemi i tej, w której wraca na Ziemię.

Tak więc sytuacja Biffa i sytuacja Cliffa są nie faktycznie symetryczny w naszym scenariuszu. Biff jest absolutnie tym, który podlega większemu przyspieszeniu, a zatem jest tym, który przechodzi najmniej upływu czasu.

Historia paradoksu bliźniaków

Paradoks ten (w innej formie) został po raz pierwszy przedstawiony w 1911 r. przez Paula Langevina, w którym akcent kładł nacisk na ideę, że przyśpieszenie sam w sobie był kluczowym elementem, który spowodował wyróżnienie. Zdaniem Langevina przyspieszenie miało zatem znaczenie absolutne. Jednak w 1913 roku Max von Laue wykazał, że same dwa układy odniesienia wystarczą do wyjaśnienia różnicy, bez konieczności uwzględniania samego przyspieszenia.