Čo je paradox dvojčiat? Cestovanie v reálnom čase

Zaviedol Albert Einstein prostredníctvom teórie relativity

Podľa Twin Paradox dve hodiny (alebo ľudia) pohybujúce sa rôznymi rýchlosťami zažívajú čas rôznymi rýchlosťami. Garry Gay/Getty Images

Paradox dvojčiat je myšlienkový experiment, ktorý demonštruje zvláštny prejav dilatácia času v modernej fyzike, ako ju zaviedol Albert Einstein cez teóriu relativity.

Predstavte si dve dvojčatá menom Biff a Cliff. Na ich 20. narodeniny sa Biff rozhodne nasadnúť do vesmírnej lode a vzlietnuť do vesmíru, pričom bude cestovať takmer rýchlosť svetla . Touto rýchlosťou cestuje po kozme asi 5 rokov a na Zem sa vracia, keď má 25 rokov.

Cliff, na druhej strane, zostáva na Zemi. Keď sa Biff vráti, ukáže sa, že Cliff má 95 rokov.

Čo sa stalo?

Podľa teórie relativity dva referenčné rámce, ktoré sa navzájom pohybujú, zažívajú čas odlišne, proces známy ako dilatácia času . Pretože sa Biff pohyboval tak rýchlo, čas mu v skutočnosti plynul pomalšie. To sa dá presne vypočítať pomocou Lorentzove premeny , ktoré sú štandardnou súčasťou teórie relativity.

Twin Paradox One

Prvý paradox dvojčiat nie je v skutočnosti vedecký paradox, ale logický: Koľko rokov má Biff?

Biff zažil 25 rokov života, no zároveň sa narodil v rovnakom momente ako Cliff, čo bolo pred 90 rokmi. Má teda 25 alebo 90 rokov?

V tomto prípade je odpoveď „obaja“ ... v závislosti od toho, akým spôsobom meriate vek. Podľa jeho vodičského preukazu, ktorý meria pozemský čas (a jeho platnosť nepochybne vypršala), má 90. Podľa jeho tela má 25. Ani jeden vek nie je „správny“ ani „nesprávny“, hoci správa sociálneho zabezpečenia môže urobiť výnimku, ak snaží získať výhody.

Dvojitý paradox dva

Druhý paradox je o niečo technickejší a skutočne ide o podstatu toho, čofyzikovznamená, keď hovoria o relativite. Celý scenár je založený na myšlienke, že Biff cestoval veľmi rýchlo, takže sa mu spomalil čas.

Problém je v tom, že v relativite ide len o relatívny pohyb. Čo keby ste zvážili veci z Biffovho pohľadu, potom zostal stáť celý čas na mieste a bol to Cliff, kto sa vzďaľoval veľkou rýchlosťou. Nemali by takto vykonané výpočty znamenať, že Cliff je ten, kto starne pomalšie? Neznamená relativita, že tieto situácie sú symetrické?

Ak by Biff a Cliff boli na vesmírnych lodiach, ktoré sa pohybovali konštantnou rýchlosťou v opačných smeroch, tento argument by bol úplne pravdivý. Pravidlá špeciálnej relativity, ktoré riadia referenčné sústavy konštantnej rýchlosti (inerciálne), naznačujú, že dôležitý je iba relatívny pohyb medzi nimi. V skutočnosti, ak sa pohybujete konštantnou rýchlosťou, neexistuje ani experiment, ktorý by ste mohli vykonať v rámci vášho referenčného rámca, ktorý by vás odlišoval od pokoja. (Dokonca aj keby ste sa pozreli von z lode a porovnali sa s nejakým iným konštantným referenčným rámcom, mohli ste to len určiť jeden z vás sa pohybuje, ale nie ktorý.)

Ale je tu jeden veľmi dôležitý rozdiel: Biff počas tohto procesu zrýchľuje. Útes je na Zemi, ktorá je na tieto účely v podstate „v pokoji“ (aj keď v skutočnosti sa Zem pohybuje, rotuje a zrýchľuje rôznymi spôsobmi). Biff je na vesmírnej lodi, ktorá prechádza intenzívnym zrýchlením, aby čítal blízko rýchlosti svetla. To znamená podľa všeobecná relativita , že v skutočnosti existujú fyzikálne experimenty, ktoré by mohol vykonať Biff, ktoré by mu odhalili, že zrýchľuje ... a tie isté experimenty by ukázali Cliffovi, že nezrýchľuje (alebo aspoň zrýchľuje oveľa menej ako Biff).

Kľúčovou vlastnosťou je, že zatiaľ čo Cliff je celý čas v jednej referenčnej sústave, Biff sa v skutočnosti nachádza v dvoch referenčných sústavách – v tej, v ktorej cestuje preč zo Zeme, a v tej, v ktorej sa vracia na Zem.

Takže situácia Biffa a Cliffa sú nie v našom scenári skutočne symetrické. Biff je absolútne ten, kto prechádza výraznejším zrýchlením, a preto je ten, kto prechádza najmenším časovým úsekom.

História paradoxu dvojčiat

Tento paradox (v inej forme) prvýkrát predstavil v roku 1911 Paul Langevin, v ktorom zdôraznil myšlienku, že zrýchlenie samotný bol kľúčovým prvkom, ktorý spôsobil rozdiel. Podľa Langevina malo teda zrýchlenie absolútny význam. V roku 1913 však Max von Laue demonštroval, že dva referenčné rámce samotné stačia na vysvetlenie rozdielu bez toho, aby musel počítať so samotným zrýchlením.