Az ikerparadoxon egy gondolatkísérlet, amely bemutatja a furcsa megnyilvánulását időtágulás a modern fizikában, ahogyan azt bevezette Albert Einstein a relativitáselmélet révén.
Vegyünk két ikreket, akiknek neve Biff és Cliff. 20. születésnapjukon Biff úgy dönt, hogy bejut egy űrhajóba és felszáll az űrbe, majdnem közel utazik a fény sebessége. Körülbelül 5 évig jár körül a kozmosz körül, és 25 éves korában visszatér a Földbe.
Cliff viszont a Földön marad. Amikor Biff visszatér, kiderül, hogy Cliff 95 éves.
Mi történt?
A relativitáselmélet szerint két referenciakeret, amelyek egymástól eltérően mozognak, eltérően élnek, azaz folyamat időtágulás. Mivel Biff olyan gyorsan mozgott, az idő valójában lassabban haladt számára. Ez pontosan kiszámítható a következővel Lorentz-transzformációk, amelyek a relativitáselmélet standard részét képezik.
Twin Paradox One
Az első ikerparadoxon valójában nem tudományos paradoxon, hanem logikus: Hány éves Biff?
Biff 25 éves életet él, de ugyanabban a pillanatban született, mint a Cliff, amely 90 évvel ezelőtt volt. Tehát 25 éves vagy 90 éves?
Ebben az esetben a válasz "mindkettő"... attól függően, hogy milyen módon méri az életet. A földi időt mérő (és kétségtelenül lejárt) járművezetői engedélyének megfelelően 90 éves. Testének szerint 25 éves. Egyik életkor sem "megfelelő" vagy "rossz", bár a társadalombiztosítási igazgatás kivételt képezhet, ha megpróbál ellátásokat igényelni.
Két paradoxon
A második paradoxon egy kicsit technikai jellegű, és valójában mihez tartozik fizikusok amikor relativitásról beszélnek. Az egész forgatókönyv azon az elképzelésen alapul, hogy Biff nagyon gyorsan utazott, így az idő lelassult számára.
A probléma az, hogy a relativitáselméletben csak a relatív mozgás van szó. Mi lenne, ha Biff szempontjából figyelembe venne a dolgokat, akkor egész idő alatt helyben maradt, és Cliff haladt gyors sebességgel. Az ilyen módon végzett számítások nem jelenthetik-e azt, hogy Cliff lassan öregedik? A relativitáselmélet nem jelenti azt, hogy ezek a helyzetek szimmetrikusak?
Ha Biff és Cliff űrhajókon állandó sebességgel haladnának az ellenkező irányba, ez az érv teljesen igaz lenne. A speciális relativitáselméleti szabályok, amelyek az állandó sebességű (inerciális) referenciakeretet szabályozzák, jelzik, hogy csak a kettő közötti relatív mozgás számít. Valójában, ha állandó sebességgel mozog, akkor még a referenciakeretben sem végezhet olyan kísérletet, amely megkülönböztetné a pihenéstől. (Még ha a hajóra kívül is nézne, és összehasonlítaná magát valamilyen más állandó referenciakerettel, ezt csak meg tudja határozni egyikőtök mozog, de nem melyik.)
De itt van egy nagyon fontos különbség: Biff felgyorsul ebben a folyamatban. Szikla van a Földön, amely e célból alapvetően "nyugalomban van" (annak ellenére, hogy a Föld valójában különféleképpen mozog, forog és gyorsul). Biff egy űrhajón van, ahol intenzív gyorsulást hajt végre a fénysebesség melletti olvasáshoz. Ez azt jelenti, hogy általános relativitáselmélet, hogy valójában vannak olyan fizikai kísérletek, amelyeket Biff végezhet, és amelyek kiderülnek neki, hogy gyorsul... és ugyanazok a kísérletek megmutatnák Cliffnek, hogy nem gyorsul (vagy legalábbis sokkal kisebb mértékben gyorsul, mint Biff).
A legfontosabb tulajdonság az, hogy míg a Cliff egész idő alatt egy referenciakeretben van, Biff valójában kettőben van referenciakeretek - az egyik, ahova elutazik a Földtől, és az, ahová visszajön Föld.
Tehát Biff és Cliff helyzete is nem valójában szimmetrikus a forgatókönyvünkben. Biff abszolút az, amelyen a jelentősebb gyorsulás megy keresztül, és ezért ő az, aki a legkevesebb idő alatt megy keresztül.
A ikerparadoxon története
Ezt a paradoxont (más formában) Paul Langevin először 1911-ben mutatta be, amelyben a hangsúly hangsúlyozta azt a gondolatot, hogy gyorsulás maga volt a legfontosabb elem, amely a megkülönböztetést okozta. Langevin szerint tehát a gyorsításnak abszolút jelentése van. Max von Laue azonban 1913-ban bebizonyította, hogy a két referenciakeret önmagában elegendő a megkülönböztetés magyarázatához anélkül, hogy maga a gyorsulást figyelembe kellene vennie.