Vad är tvillingparadoxen? Real Time Travel

Tvillingparadoxen är ett tankeexperiment som visar den nyfikna manifestationen av tidsutvidgning i modern fysik, som den introducerades av Albert Einstein genom relativitetsteorin.

Tänk på två tvillingar, som heter Biff och Cliff. På deras 20-årsdag beslutar Biff att ta sig in i ett rymdskepp och ta sig ut i rymden och resa på nästan ljusets hastighet. Han reser runt kosmos med denna hastighet i cirka 5 år och återvänder till jorden när han är 25 år.

Cliff, å andra sidan, förblir på jorden. När Biff återvänder visar det sig att Cliff är 95 år gammal.

Enligt relativitet upplever två referensramar som rör sig annorlunda från varandra tid annorlunda, en process som kallas tidsutvidgning. Eftersom Biff rörde sig så snabbt rörde sig tiden långsammare för honom. Detta kan beräknas exakt med Lorentz transformationer, som är en standarddel av relativitet.

Den första tvillingparadoxen är egentligen inte en vetenskaplig paradox, utan en logisk: Hur gammal är Biff?

Biff har upplevt 25 års liv, men han föddes också i samma ögonblick som Cliff, som var 90 år sedan. Så är han 25 år eller 90 år?

I det här fallet är svaret "båda"... beroende på vilket sätt du mäter ålder. Enligt hans körkort, som mäter jordtid (och utan tvekan har löpt ut), är han 90. Enligt hans kropp är han 25. Varken ålder är "rätt" eller "fel", även om socialförvaltningen kan ta undantag om han försöker kräva förmåner.

Den andra paradoxen är lite mer teknisk och kommer verkligen till hjärtat av vad fysiker menar när de pratar om relativitet. Hela scenariot är baserat på idén att Biff färdades mycket snabbt, så tiden bromsade för honom.

Problemet är att i relativitet är det bara den relativa rörelsen som är involverad. Så tänk om du tänkte på saker från Biffs synvinkel, då stannade han stilla hela tiden, och det var Cliff som rörde sig i snabba hastigheter. Bör inte beräkningar utförda på detta sätt innebära att Cliff är den som åldras långsammare? Innebär inte relativitet att dessa situationer är symmetriska?

Om Biff och Cliff var på rymdskepp som reser med konstant hastighet i motsatta riktningar, skulle detta argument vara helt sant. Reglerna för speciell relativitet, som styr konstant hastighet (tröghet) referensramar, indikerar att endast den relativa rörelsen mellan de två är det som är viktigt. I själva verket, om du rör dig med konstant hastighet, finns det inte ens ett experiment som du kan utföra inom din referensram som skulle skilja dig från att vara i vila. (Även om du tittade utanför fartyget och jämförde dig själv med någon annan konstant referensram kunde du bara bestämma det en av er rör sig, men inte vilken.)

Men det finns en mycket viktig skillnad här: Biff accelererar under denna process. Cliff är på jorden, som i detta syfte i princip är "i vila" (även om jorden i verkligheten rör sig, roterar och accelererar på olika sätt). Biff är på ett rymdskepp som genomgår intensiv acceleration för att läsa nära ljushastighet. Detta betyder enligt allmän relativitet, att det faktiskt finns fysiska experiment som kan utföras av Biff som skulle avslöja för honom att han accelererar... och samma experiment skulle visa Cliff att han inte accelererar (eller åtminstone accelererar mycket mindre än Biff är).

Den viktigaste funktionen är att medan Cliff befinner sig i en referensram hela tiden, så är Biff faktiskt i två referensramar - den där han reser bort från jorden och den där han kommer tillbaka till Jorden.

Så Biffs situation och Cliffs situation är det inte faktiskt symmetriska i vårt scenario. Biff är absolut den som genomgår den mer betydande accelerationen, och därför är han den som genomgår den minsta tiden.

Denna paradox (i en annan form) presenterades först 1911 av Paul Langevin, där betoningen betonade idén att acceleration själv var det viktigaste elementet som orsakade distinktionen. Enligt Langevins åsikt hade därför acceleration en absolut mening. 1913 visade dock Max von Laue att de två referensramarna enbart räcker för att förklara skillnaden utan att behöva redogöra för själva accelerationen.