Hva er tvillingparadokset? Reise i sanntid

Introdusert av Albert Einstein gjennom relativitetsteorien

I følge Twin Paradox opplever to klokker (eller personer) som beveger seg med forskjellige hastigheter tid med forskjellige hastigheter. Garry Gay/Getty Images

Tvillingparadokset er et tankeeksperiment som demonstrerer den nysgjerrige manifestasjonen av tidsutvidelse i moderne fysikk, slik den ble introdusert av Albert Einstein gjennom relativitetsteorien.

Tenk på to tvillinger, kalt Biff og Cliff. På 20-årsdagen deres bestemmer Biff seg for å sette seg i et romskip og ta av ut i verdensrommet, og reise på nesten lysets hastighet . Han reiser rundt i kosmos med denne hastigheten i omtrent 5 år, og returnerer til jorden når han er 25 år gammel.

Cliff, på den annen side, forblir på jorden. Når Biff kommer tilbake, viser det seg at Cliff er 95 år gammel.

Hva skjedde?

I følge relativitetsteorien opplever to referanserammer som beveger seg forskjellig fra hverandre tid forskjellig, en prosess kjent som tidsutvidelse . Fordi Biff beveget seg så raskt, gikk tiden faktisk saktere for ham. Dette kan beregnes nøyaktig ved hjelp av Lorentz transformasjoner , som er en standard del av relativitetsteorien.

Twin Paradox One

Det første tvillingparadokset er egentlig ikke et vitenskapelig paradoks, men et logisk: Hvor gammel er Biff?

Biff har opplevd 25 år av livet, men han ble også født i samme øyeblikk som Cliff, som var for 90 år siden. Så er han 25 år eller 90 år?

I dette tilfellet er svaret 'begge' ... avhengig av hvordan du måler alder. I følge førerkortet hans, som måler jordtiden (og uten tvil er utløpt), er han 90. Ifølge kroppen hans er han 25. Ingen av alderen er 'riktig' eller 'gal', selv om trygdemyndighetene kan ta unntak hvis han prøver å kreve ytelser.

Tvillingparadoks to

Det andre paradokset er litt mer teknisk, og kommer virkelig til hjertet av hvafysikeremener når de snakker om relativitet. Hele scenariet er basert på ideen om at Biff reiste veldig fort, så tiden gikk langsommere for ham.

Problemet er at i relativitet er kun den relative bevegelsen involvert. Så hva om du vurderte ting fra Biffs synspunkt, så holdt han seg stille hele tiden, og det var Cliff som beveget seg bort i høye hastigheter. Burde ikke beregninger utført på denne måten bety at Cliff er den som eldes saktere? Innebærer ikke relativitet at disse situasjonene er symmetriske?

Nå, hvis Biff og Cliff var på romskip som reiste med konstant hastighet i motsatte retninger, ville dette argumentet være helt sant. Reglene for spesiell relativitet, som styrer konstant hastighet (treghet) referanserammer, indikerer at bare den relative bevegelsen mellom de to er det som betyr noe. Faktisk, hvis du beveger deg med konstant hastighet, er det ikke engang et eksperiment du kan utføre innenfor referanserammen din som vil skille deg fra å være i ro. (Selv om du så utenfor skipet og sammenlignet deg med en annen konstant referanseramme, kunne du bare fastslå at en av dere beveger seg, men ikke hvilken.)

Men det er en veldig viktig forskjell her: Biff akselererer under denne prosessen. Cliff er på jorden, som for dette formål i utgangspunktet er 'i ro' (selv om jorden i virkeligheten beveger seg, roterer og akselererer på forskjellige måter). Biff er på et romskip som gjennomgår intensiv akselerasjon for å lese nær lyshastighet. Dette betyr i følge generell relativitetsteori , at det faktisk er fysiske eksperimenter som kan utføres av Biff som ville avsløre for ham at han akselererer ... og de samme eksperimentene ville vise Cliff at han ikke akselererer (eller i det minste akselererer mye mindre enn Biff er).

Nøkkeltrekket er at mens Cliff er i én referanseramme hele tiden, er Biff faktisk i to referanserammer - den der han reiser bort fra jorden og den der han kommer tilbake til jorden.

Så Biffs situasjon og Cliffs situasjon er det ikke faktisk symmetrisk i vårt scenario. Biff er absolutt den som gjennomgår den mest betydelige akselerasjonen, og derfor er han den som gjennomgår minst tid.

Historien om tvillingparadokset

Dette paradokset (i en annen form) ble først presentert i 1911 av Paul Langevin, der vektleggingen understreket ideen om at akselerasjon i seg selv var nøkkelelementet som forårsaket utmerkelsen. Etter Langevins syn hadde akselerasjon derfor en absolutt betydning. I 1913 demonstrerte Max von Laue imidlertid at de to referanserammene alene er nok til å forklare skillet, uten å måtte redegjøre for selve akselerasjonen.