Τι είναι το παράδοξο δίδυμο; Ταξίδι σε πραγματικό χρόνο

Το δίδυμο παράδοξο είναι ένα πείραμα σκέψης που αποδεικνύει την περίεργη εκδήλωση χρονική διαστολή στη σύγχρονη φυσική, όπως την καθιέρωσε Albert Einstein μέσω της θεωρίας της σχετικότητας.

Εξετάστε δύο δίδυμα, που ονομάζονται Biff και Cliff. Στα 20α γενέθλιά τους, ο Biff αποφασίζει να φτάσει σε ένα διαστημόπλοιο και να απογειωθεί στον εξωτερικό χώρο, ταξιδεύοντας σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Ταξιδεύει γύρω από τον Κόσμο σε αυτή την ταχύτητα για περίπου 5 χρόνια, επιστρέφοντας στη Γη όταν είναι 25 ετών.

Ο Cliff, από την άλλη πλευρά, παραμένει στη Γη. Όταν ο Biff επιστρέφει, αποδεικνύεται ότι ο Cliff είναι 95 ετών.

Σύμφωνα με τη σχετικότητα, δύο πλαίσια αναφοράς που κινούνται διαφορετικά ο ένας από τον άλλο αντιμετωπίζουν διαφορετικά τον χρόνο, μια διαδικασία γνωστή ως χρονική διαστολή. Επειδή ο Biff κινούταν τόσο γρήγορα, ο χρόνος στην πραγματικότητα κινείται πιο αργά γι 'αυτόν. Αυτό μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια χρησιμοποιώντας Μετασχηματισμοί Lorentz, τα οποία είναι ένα τυπικό μέρος της σχετικότητας.

Το πρώτο δίδυμο παράδοξο δεν είναι πραγματικά ένα επιστημονικό παράδοξο, αλλά ένα λογικό: Πόσο χρονών είναι ο Biff;

Ο Biff έχει περάσει 25 χρόνια ζωής, αλλά γεννήθηκε επίσης την ίδια στιγμή με τον Cliff, ο οποίος ήταν πριν από 90 χρόνια. Είναι 25 ετών ή 90 ετών;

Στην περίπτωση αυτή, η απάντηση είναι "και τα δύο"... ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο μετράτε την ηλικία. Σύμφωνα με την άδεια του οδηγού του, η οποία μετρά τη γήινη εποχή (και αναμφίβολα έχει λήξει), είναι 90 ετών. Σύμφωνα με το σώμα του, είναι 25 ετών. Ούτε η ηλικία είναι "σωστή" ή "λανθασμένη", αν και η διοίκηση της κοινωνικής ασφάλισης μπορεί να εξαιρεθεί αν προσπαθεί να διεκδικήσει παροχές.

Το δεύτερο παράδοξο είναι λίγο πιο τεχνικό και πραγματικά έρχεται στην καρδιά του τι φυσικοί όταν μιλάμε για σχετικότητα. Το όλο σενάριο βασίζεται στην ιδέα ότι ο Biff ταξίδευε πολύ γρήγορα, οπότε ο χρόνος επιβραδύνθηκε γι 'αυτόν.

Το πρόβλημα είναι ότι στη σχετικότητα υπάρχει μόνο η σχετική κίνηση. Τί λοιπόν αν σκεφτήκατε τα πράγματα από την άποψη του Biff, τότε παρέμενε ακίνητος καθ 'όλη τη διάρκεια του χρόνου και ο Cliff ήταν αυτός που απομακρύνθηκε με γρήγορες ταχύτητες. Δεν θα έπρεπε οι υπολογισμοί που έγιναν με αυτόν τον τρόπο να σημαίνουν ότι ο Cliff είναι αυτός που μεγαλώνει αργότερα; Η σχετικότητα δεν σημαίνει ότι αυτές οι καταστάσεις είναι συμμετρικές;

Τώρα, αν ο Biff και ο Cliff ήταν σε διαστημόπλοια που ταξιδεύουν σε σταθερές ταχύτητες σε αντίθετες κατευθύνσεις, αυτό το επιχείρημα θα ήταν απολύτως αληθές. Οι κανόνες της ειδικής σχετικότητας, που διέπουν τα σταθερά (αδρανειακά) πλαίσια αναφοράς, δείχνουν ότι μόνο η σχετική κίνηση μεταξύ των δύο είναι σημαντική. Στην πραγματικότητα, αν κινούμαστε με μια σταθερή ταχύτητα, δεν υπάρχει ούτε ένα πείραμα που μπορείτε να εκτελέσετε μέσα στο πλαίσιο αναφοράς σας που θα σας διακρίνει από το να είστε σε ηρεμία. (Ακόμη και αν κοιτάξατε έξω από το πλοίο και συγκρίνατε τον εαυτό σας με κάποιο άλλο σταθερό πλαίσιο αναφοράς, θα μπορούσατε μόνο να το προσδιορίσετε ένας από εσάς κινείται, αλλά όχι ποιο.)

Αλλά υπάρχει μια πολύ σημαντική διάκριση εδώ: ο Biff επιταχύνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Ο γκρεμός είναι στη Γη, ο οποίος για τους σκοπούς αυτού είναι βασικά "σε ηρεμία" (αν και στην πραγματικότητα η Γη κινείται, περιστρέφεται και επιταχύνει με διάφορους τρόπους). Ο Biff βρίσκεται σε ένα διαστημόπλοιο το οποίο υφίσταται έντονη επιτάχυνση για να διαβάσει κοντά στην ταχύτητα. Αυτό σημαίνει, σύμφωνα με γενική σχετικότητα, ότι υπάρχουν πραγματικά φυσικά πειράματα που θα μπορούσε να εκτελεστεί από τον Biff που θα του αποκάλυπτε ότι επιταχύνει... και τα ίδια πειράματα θα έδειχναν στον Cliff ότι δεν επιταχύνει (ή τουλάχιστον επιταχύνει πολύ λιγότερο από τον Biff).

Το βασικό χαρακτηριστικό είναι ότι ενώ ο Cliff βρίσκεται σε ένα πλαίσιο αναφοράς όλη την ώρα, ο Biff βρίσκεται στην πραγματικότητα σε δύο τα πλαίσια αναφοράς - εκείνο που ταξιδεύει μακριά από τη Γη και εκείνο όπου επιστρέφει στην Γη.

Έτσι η κατάσταση του Biff και η κατάσταση του Cliff είναι δεν πραγματικά συμμετρικό στο σενάριό μας. Ο Biff είναι απολύτως εκείνος που υποκρύπτει την πιο σημαντική επιτάχυνση, και γι 'αυτό είναι εκείνος που υποκρύπτει το ελάχιστο χρονικό πέρασμα.

Αυτό το παράδοξο (σε διαφορετική μορφή) παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1911 από τον Paul Langevin, στο οποίο η έμφαση τόνισε την ιδέα ότι επιτάχυνση το ίδιο ήταν το βασικό στοιχείο που προκάλεσε τη διάκριση. Κατά την άποψη του Langevin, η επιτάχυνση, επομένως, είχε απόλυτη σημασία. Το 1913, όμως, ο Max von Laue απέδειξε ότι τα δύο πλαίσια αναφοράς μόνο του αρκούν για να εξηγήσουν τη διάκριση, χωρίς να πρέπει να λογοδοτήσουν για την ίδια την επιτάχυνση.