Was ist das Zwillingsparadoxon? Echtzeitreisen

Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment, das die merkwürdige Manifestation von demonstriert Zeitdilatation in der modernen Physik, wie es von eingeführt wurde Albert Einstein durch die Relativitätstheorie.

Betrachten Sie zwei Zwillinge namens Biff und Cliff. An ihrem 20. Geburtstag beschließt Biff, in ein Raumschiff zu steigen und in den Weltraum zu fliegen die Lichtgeschwindigkeit. Er reist ungefähr 5 Jahre lang mit dieser Geschwindigkeit durch den Kosmos und kehrt mit 25 Jahren zur Erde zurück.

Cliff hingegen bleibt auf der Erde. Als Biff zurückkommt, stellt sich heraus, dass Cliff 95 Jahre alt ist.

Entsprechend der Relativitätstheorie erfahren zwei Referenzrahmen, die sich unterschiedlich voneinander bewegen, die Zeit unterschiedlich, ein Prozess, der als bekannt ist Zeitdilatation. Weil Biff sich so schnell bewegte, bewegte sich die Zeit für ihn tatsächlich langsamer. Dies kann mit genau berechnet werden Lorentz-Transformationen, die ein Standardbestandteil der Relativitätstheorie sind.

Das erste Zwillingsparadoxon ist nicht wirklich ein wissenschaftliches Paradoxon, sondern ein logisches: Wie alt ist Biff?

Biff hat 25 Jahre gelebt, aber er wurde auch im selben Moment wie Cliff geboren, der vor 90 Jahren war. Also ist er 25 Jahre alt oder 90 Jahre alt?

In diesem Fall lautet die Antwort "beides"... je nachdem, auf welche Weise Sie das Alter messen. Laut seinem Führerschein, der die Erdzeit misst (und zweifellos abgelaufen ist), ist er 90 Jahre alt. Seinem Körper zufolge ist er 25 Jahre alt. Kein Alter ist "richtig" oder "falsch", obwohl die Sozialversicherungsbehörde möglicherweise Ausnahmen macht, wenn er versucht, Leistungen zu beanspruchen.

Das zweite Paradoxon ist etwas technischer und kommt wirklich auf den Punkt Physiker meine, wenn sie über Relativitätstheorie sprechen. Das gesamte Szenario basiert auf der Idee, dass Biff sehr schnell unterwegs war, sodass sich die Zeit für ihn verlangsamte.

Das Problem ist, dass in der Relativitätstheorie nur die Relativbewegung beteiligt ist. Was also, wenn Sie die Dinge aus Biffs Sicht betrachteten, dann blieb er die ganze Zeit stationär und es war Cliff, der sich mit hoher Geschwindigkeit entfernte. Sollten auf diese Weise durchgeführte Berechnungen nicht bedeuten, dass Cliff derjenige ist, der langsamer altert? Bedeutet Relativitätstheorie nicht, dass diese Situationen symmetrisch sind?

Wenn Biff und Cliff auf Raumschiffen wären, die mit konstanter Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen fahren, wäre dieses Argument vollkommen richtig. Die Regeln der speziellen Relativitätstheorie, die Referenzrahmen mit konstanter Geschwindigkeit (Trägheit) regeln, zeigen, dass nur die Relativbewegung zwischen den beiden wichtig ist. Wenn Sie sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, gibt es nicht einmal ein Experiment, das Sie innerhalb Ihres Referenzrahmens durchführen können und das Sie von Ruhe unterscheidet. (Selbst wenn Sie außerhalb des Schiffes schauten und sich mit einem anderen konstanten Bezugsrahmen verglichen, konnten Sie dies nur feststellen einer von euch bewegt sich, aber nicht welche.)

Aber hier gibt es einen sehr wichtigen Unterschied: Biff beschleunigt sich während dieses Prozesses. Cliff befindet sich auf der Erde, die zu diesem Zweck im Grunde genommen "in Ruhe" ist (obwohl sich die Erde in Wirklichkeit auf verschiedene Weise bewegt, dreht und beschleunigt). Biff befindet sich auf einem Raumschiff, das einer intensiven Beschleunigung unterzogen wird, um in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu lesen. Dies bedeutet nach generelle Relativität, dass es tatsächlich physikalische Experimente gibt, die von Biff durchgeführt werden könnten, die ihm zeigen würden, dass er beschleunigt... und die gleichen Experimente würden Cliff zeigen, dass er nicht beschleunigt (oder zumindest viel weniger beschleunigt als Biff).

Das Hauptmerkmal ist, dass sich Cliff die ganze Zeit in einem Referenzrahmen befindet, Biff jedoch tatsächlich in zwei Bezugsrahmen - der, in dem er von der Erde wegreist und der, in den er zurückkehrt Erde.

So sind Biffs Situation und Cliffs Situation nicht tatsächlich symmetrisch in unserem Szenario. Biff ist absolut derjenige, der die bedeutendere Beschleunigung erfährt, und daher ist er derjenige, der die geringste Zeitspanne durchläuft.

Dieses Paradoxon (in einer anderen Form) wurde erstmals 1911 von Paul Langevin vorgestellt, in dem der Schwerpunkt auf der Idee lag, dass die Beschleunigung selbst war das Schlüsselelement, das die Unterscheidung verursachte. Nach Langevins Ansicht hatte die Beschleunigung daher eine absolute Bedeutung. Im Jahr 1913 zeigte Max von Laue jedoch, dass die beiden Bezugsrahmen allein ausreichen, um die Unterscheidung zu erklären, ohne die Beschleunigung selbst berücksichtigen zu müssen.