Kas yra Dvynių paradoksas? Kelionės realiu laiku

Supažindino Albertas Einšteinas per reliatyvumo teoriją

Pagal Dvynių paradoksą, du skirtingu greičiu judantys laikrodžiai (arba žmonės) laiką patiria skirtingu greičiu. Garry Gay / Getty Images

Dvynių paradoksas yra minties eksperimentas, parodantis keistą jo pasireiškimą laiko išsiplėtimas šiuolaikinėje fizikoje, kaip ją pristatė Albertas Einšteinas per reliatyvumo teoriją.

Apsvarstykite du dvynius, vardu Biffas ir Cliffas. Per savo 20-ąjį gimtadienį Bifas nusprendžia įsėsti į erdvėlaivį ir pakilti į kosmosą, beveik šviesos greitis . Tokiu greičiu jis keliauja aplink kosmosą apie 5 metus, o į Žemę grįžta sulaukęs 25 metų.

Kita vertus, Cliff lieka Žemėje. Kai Bifas grįžta, paaiškėja, kad Cliffui 95 metai.

Kas nutiko?

Remiantis reliatyvumo teorija, dvi atskaitos sistemos, kurios juda skirtingai viena nuo kitos, skirtingai patiria laiką, ty procesą, vadinamą laiko išsiplėtimas . Kadangi Bifas judėjo taip greitai, laikas jam iš tikrųjų slinko lėčiau. Tai galima tiksliai apskaičiuoti naudojant Lorenco transformacijos , kurios yra standartinė reliatyvumo teorijos dalis.

Twin Paradox One

Pirmasis dvynių paradoksas iš tikrųjų nėra mokslinis, o logiškas: Kiek Bifui metų?

Biffas išgyveno 25 gyvenimo metus, bet taip pat gimė tą pačią akimirką kaip ir Cliffas, prieš 90 metų. Taigi ar jam 25 metai, ar 90 metų?

Šiuo atveju atsakymas yra „abu“... priklausomai nuo to, kokiu būdu matuojate amžių. Pagal jo vairuotojo pažymėjimą, kuriame matuojamas Žemės laikas (ir jo galiojimas, be jokios abejonės), jam 90 metų. Pagal kūną jam 25 metai. Nė vienas amžius nėra „tinkamas“ ar „neteisingas“, nors socialinio draudimo administracija gali padaryti išimtį, jei jis bando pretenduoti į pašalpas.

Dvynių paradoksas du

Antrasis paradoksas yra šiek tiek techniškesnis ir iš tikrųjų ateina į esmęfizikaireiškia, kai jie kalba apie reliatyvumą. Visas scenarijus pagrįstas idėja, kad Bifas keliavo labai greitai, todėl laikas jam sulėtėjo.

Problema ta, kad reliatyvumo teorijoje dalyvauja tik santykinis judėjimas. Taigi, kas būtų, jei į dalykus žiūrėtum iš Bifo taško, tada jis visą laiką stovėjo nejudėdamas, o būtent Cliffas nutoldavo dideliu greičiu. Ar tokiu būdu atlikti skaičiavimai neturėtų reikšti, kad Klifas sensta lėčiau? Ar reliatyvumas nereiškia, kad šios situacijos yra simetriškos?

Dabar, jei Bifas ir Cliffas būtų erdvėlaiviuose, kurie pastoviu greičiu skristų priešingomis kryptimis, šis argumentas būtų visiškai teisingas. Specialiosios reliatyvumo taisyklės, reglamentuojančios pastovaus greičio (inercines) atskaitos sistemas, rodo, kad svarbus yra tik santykinis judesys tarp jų. Tiesą sakant, jei judate pastoviu greičiu, nėra net eksperimento, kurį galėtumėte atlikti pagal savo atskaitos sistemą, kuris jus skirtų nuo ramybės. (Net jei pažvelgtumėte už laivo ribų ir palygintumėte save su kokia nors kita nuolatine atskaitos sistema, galėtumėte tik tai nustatyti Vienas iš jūsų juda, bet ne kuris.)

Tačiau čia yra vienas labai svarbus skirtumas: šio proceso metu Biffas įsibėgėja. Cliff yra Žemėje, kuri šiuo tikslu iš esmės yra „ramybės būsena“ (nors iš tikrųjų Žemė įvairiais būdais juda, sukasi ir greitėja). Bifas yra erdvėlaivyje, kuris intensyviai įsibėgėja, kad galėtų skaityti beveik šviesos greičiu. Tai reiškia, anot bendrasis reliatyvumas , kad iš tikrųjų yra fizinių eksperimentų, kuriuos Biffas galėtų atlikti ir kurie atskleistų jam, kad jis įsibėgėja... ir tie patys eksperimentai parodytų Cliffui, kad jis neįsibėgėja (arba bent jau įsibėgėja daug mažiau nei Biffas).

Pagrindinis bruožas yra tas, kad nors Cliffas visą laiką yra vienoje atskaitos sistemoje, Biffas iš tikrųjų yra dviejose atskaitos sistemose – toje, kurioje jis keliauja toliau nuo Žemės, ir toje, kurioje grįžta į Žemę.

Taigi Bifo ir Cliff padėtis yra tokia ne iš tikrųjų simetriškas mūsų scenarijuje. Bifas yra absoliučiai tas, kuris patiria didesnį pagreitį, todėl jis yra tas, kuris praeina mažiausiai laiko.

Dvynių paradokso istorija

Šį paradoksą (kita forma) 1911 m. pirmą kartą pristatė Paulas Langevinas, kuriame buvo pabrėžta mintis, kad pagreitis pats buvo pagrindinis elementas, sukėlęs skirtumą. Todėl, Langevino nuomone, pagreitis turėjo absoliučią prasmę. Tačiau 1913 m. Maxas von Laue įrodė, kad vien dviejų atskaitos sistemų pakanka paaiškinti skirtumą, neatsižvelgiant į patį pagreitį.