Kaj je paradoks dvojčkov? Potovanje v realnem času

Uvedel Albert Einstein skozi teorijo relativnosti

V skladu s paradoksom dvojčkov dve uri (ali osebi), ki se premikata z različnimi hitrostmi, doživita čas z različnimi hitrostmi. Garry Gay/Getty Images

Paradoks dvojčkov je miselni eksperiment, ki prikazuje nenavadno manifestacijo dilatacija časa v sodobni fiziki, kot jo je uvedel Albert Einstein skozi teorijo relativnosti.

Razmislite o dveh dvojčkih, imenovanih Biff in Cliff. Na njun 20. rojstni dan se Biff odloči, da se usede v vesoljsko ladjo in poleti v vesolje ter potuje s skoraj svetlobna hitrost . S to hitrostjo potuje po vesolju približno 5 let, na Zemljo pa se vrne, ko je star 25 let.

Cliff pa ostaja na Zemlji. Ko se Biff vrne, se izkaže, da je Cliff star 95 let.

Kaj se je zgodilo?

V skladu z relativnostjo dva referenčna sistema, ki se gibljeta različno drug od drugega, različno doživljata čas, proces, znan kot dilatacija časa . Ker se je Biff premikal tako hitro, je čas zanj dejansko tekel počasneje. To je mogoče natančno izračunati z uporabo Lorentzove transformacije , ki so standardni del teorije relativnosti.

Paradoks dvojčkov ena

Prvi paradoks dvojčkov v resnici ni znanstveni paradoks, ampak logičen: Koliko je star Biff?

Biff je preživel 25 let življenja, vendar se je tudi rodil isti trenutek kot Cliff, to je bilo pred 90 leti. Je torej star 25 ali 90 let?

V tem primeru je odgovor 'oboje' ... odvisno od tega, na kakšen način merite starost. Glede na njegovo vozniško dovoljenje, ki meri zemeljski čas (in je nedvomno poteklo), je star 90 let. Glede na njegovo telo je star 25 let. Nobena starost ni 'prava' ali 'napačna', čeprav bi lahko uprava za socialno varnost sprejela izjemo, če bi poskuša zahtevati ugodnosti.

Paradoks dvojčkov dva

Drugi paradoks je nekoliko bolj tehničen in resnično pride do bistvafizikipomenijo, ko govorijo o relativnosti. Celoten scenarij temelji na ideji, da je Biff potoval zelo hitro, zato se je čas zanj upočasnil.

Težava je v tem, da je v relativnosti vključeno samo relativno gibanje. Kaj pa, če bi stvari obravnavali z Biffovega vidika, potem pa je ves čas ostal pri miru, Cliff pa se je oddaljeval z velikimi hitrostmi. Ali ne bi morali tako izvedeni izračuni pomeniti, da je Cliff tisti, ki se stara počasneje? Ali relativnost ne pomeni, da so te situacije simetrične?

Če bi bila Biff in Cliff na vesoljskih ladjah, ki bi potovale s konstantno hitrostjo v nasprotnih smereh, bi bil ta argument popolnoma resničen. Pravila posebne teorije relativnosti, ki urejajo referenčne okvire s konstantno hitrostjo (inercialne), kažejo, da je pomembno le relativno gibanje med obema. Pravzaprav, če se premikate s konstantno hitrostjo, ne obstaja niti poskus, ki bi ga lahko izvedli v svojem referenčnem okviru in bi vas razlikoval od mirovanja. (Tudi če bi pogledali zunaj ladje in se primerjali z nekim drugim stalnim referenčnim okvirom, bi lahko ugotovili le to eden od vas se premika, vendar ne kateri.)

Toda tu je ena zelo pomembna razlika: Biff med tem procesom pospešuje. Cliff je na Zemlji, ki za ta namen v bistvu 'miruje' (čeprav se v resnici Zemlja giblje, vrti in pospešuje na različne načine). Biff je na vesoljski ladji, ki je podvržena intenzivnemu pospeševanju za branje blizu svetlobne hitrosti. To pomeni, glede na splošna relativnost , da dejansko obstajajo fizični poskusi, ki bi jih lahko izvedel Biff in ki bi mu razkrili, da pospešuje ... in isti poskusi bi pokazali Cliffu, da ne pospešuje (ali vsaj pospešuje veliko manj kot Biff).

Ključna značilnost je, da medtem ko je Cliff ves čas v enem referenčnem okviru, je Biff dejansko v dveh referenčnih okvirih – tistem, v katerem potuje stran od Zemlje, in tistemu, v katerem se vrača na Zemljo.

Biffova situacija in Cliffova situacija sta torej ne pravzaprav simetrično v našem scenariju. Biff je absolutno tisti, ki je podvržen pomembnejšemu pospeševanju, zato je on tisti, ki opravi najmanj časa.

Zgodovina paradoksa dvojčkov

Ta paradoks (v drugačni obliki) je leta 1911 prvič predstavil Paul Langevin, v katerem je poudarek poudaril idejo, da pospešek sam je bil ključni element, ki je povzročil razlikovanje. Po Langevinovem mnenju je imel torej pospešek absolutni pomen. Vendar pa je leta 1913 Max von Laue dokazal, da sta samo dva referenčna okvira dovolj za razlago razlike, ne da bi bilo treba upoštevati sam pospešek.