Kas ir Dvīņu paradokss? Reālā laika ceļojumi

Dvīņu paradokss ir domas eksperiments, kas demonstrē zinātkāres izpausmes laika dilatācija mūsdienu fizikā, kā to ieviesa Alberts Einšteins caur relativitātes teoriju.

Apsveriet divus dvīņus, kurus sauc par Bifu un Klifu. Viņu 20. dzimšanas dienā Bifs nolemj iekļūt kosmosa kuģī un pacelties kosmosā, gandrīz dodoties ceļojumā gaismas ātrumu. Aptuveni 5 gadus viņš pārvietojas pa kosmosu ar ātrumu aptuveni 5 gadus un atgriežas uz Zemes, kad viņam ir 25 gadi.

Savukārt klints paliek uz Zemes. Kad Bifs atgriežas, izrādās, ka Klindai ir 95 gadi.

Saskaņā ar relativitāti divi atskaites rāmji, kas pārvietojas atšķirīgi viens no otra, pieredzi laiku atšķirīgi, procesu, kas pazīstams kā laika dilatācija. Tā kā Bifs kustējās tik ātri, laiks faktiski viņam gāja lēnāk. To var precīzi aprēķināt, izmantojot Lorenca pārvērtības, kas ir relativitātes standarta daļa.

Pirmais dvīņu paradokss patiesībā nav zinātnisks, bet loģisks: Cik vecs ir Bifs?

Bifs ir piedzīvojis 25 dzīves gadus, bet viņš arī piedzima tajā pašā brīdī kā Klifs, kurš bija pirms 90 gadiem. Tātad viņam ir 25 gadi vai 90 gadi?

Šajā gadījumā atbilde ir "abas"... atkarībā no tā, kā mēra vecumu. Pēc viņa autovadītāja apliecības, kas mēra Zemes laiku (un, bez šaubām, ir beidzies derīguma termiņš), viņam ir 90 gadi. Pēc viņa ķermeņa, viņam ir 25 gadi. Neviens vecums nav "pareizs" vai "nepareizs", kaut arī sociālā nodrošinājuma pārvalde var pieļaut izņēmumu, ja viņš mēģina pieprasīt pabalstus.

Otrais paradokss ir nedaudz tehniskāks, un tas tiešām nāk pie sirds fiziķi nozīmē, kad viņi runā par relativitāti. Viss scenārijs ir balstīts uz domu, ka Bifs ceļoja ļoti ātri, tāpēc laiks viņam palēninājās.

Problēma ir tā, ka relativitātē ir iesaistīta tikai relatīvā kustība. Kā būtu, ja jūs aplūkotu lietas no Bifa viedokļa, tad viņš visu laiku nekustējās, un tieši Klifs strauji virzījās uz priekšu. Vai šādā veidā veiktiem aprēķiniem nevajadzētu nozīmēt, ka Klifs noveco lēnāk? Vai relativitāte nenozīmē, ka šīs situācijas ir simetriskas?

Ja Bifs un Klifs atrastos kosmosa kuģos, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu pretējos virzienos, šis arguments būtu pilnīgi patiess. Īpašās relativitātes noteikumi, kas regulē nemainīga ātruma (inerciālus) atskaites rāmjus, norāda, ka vissvarīgākais ir tikai relatīvais kustīgums starp abiem. Faktiski, ja jūs pārvietojaties ar nemainīgu ātrumu, atsauces ietvarā nav pat eksperimenta, ko jūs varētu veikt un kas jūs atšķirtu no miera stāvoklī. (Pat ja jūs paskatītos ārpus kuģa un salīdzinātu sevi ar kādu citu pastāvīgu atskaites punktu, jūs to varētu noteikt tikai jūs viens no jums pārvietojas, bet ne kurš.)

Bet šeit ir viena ļoti svarīga atšķirība: šajā procesā Bifs paātrinās. Klints atrodas uz Zemes, kas šajā nolūkā būtībā ir "miera stāvoklī" (kaut arī patiesībā Zeme dažādos veidos pārvietojas, griežas un paātrinās). Bifs atrodas kosmosa kuģī, kuram tiek veikts intensīvs paātrinājums, lai lasītu gaismas ātruma tuvumā. Tas nozīmē, saskaņā ar vispārējā relativitāte, ka faktiski ir fiziski eksperimenti, kurus Bifs varētu veikt, un kas viņam atklātu, ka viņš paātrina... un tie paši eksperimenti parādītu Klifam, ka viņš nepaātrina (vai vismaz paātrina daudz mazāk, nekā ir Bifs).

Galvenā iezīme ir tā, ka kamēr Klifs visu laiku atrodas vienā atskaites rāmī, Bifs faktiski ir divos atskaites rāmji - tas, kur viņš dodas prom no Zemes, un tas, kur viņš atgriežas Zeme.

Tātad Bifa un Klifa situācija ir tāda nē faktiski tas ir simetrisks mūsu scenārijā. Bifs ir absolūti tas, kurš piedzīvo nozīmīgāku paātrinājumu, un tāpēc viņš ir tas, kurš iziet vismazāk laika.

Šo paradoksu (citā formā) pirmo reizi iepazīstināja 1911. gadā Pols Langevins, kurā uzsvars uzsvēra ideju, ka paātrinājums pats par sevi bija galvenais elements, kas izraisīja atšķirību. Pēc Langevina domām, paātrinājumam tāpēc bija absolūta nozīme. Tomēr 1913. gadā Makss fon Laue parādīja, ka ar diviem atskaites rāmjiem vien ir pietiekami, lai izskaidrotu atšķirību, neņemot vērā pašu paātrinājumu.