Dvynių paradoksas yra minčių eksperimentas, pademonstruojantis kuriozišką pasireiškimą laiko išsiplėtimas šiuolaikinėje fizikoje, kaip ją įvedė Albertas Einšteinas per reliatyvumo teoriją.
Apsvarstykite du dvynukus, pavadintus Bifu ir Clifu. Jų dvidešimtmečio proga Bifas nusprendžia patekti į kosminį laivą ir pakilti į kosmosą, keliaudamas beveik šviesos greitį. Šiuo greičiu jis maždaug 5 metus keliauja aplink kosmosą ir grįžta į Žemę, kai jam yra 25 metai.
Cliff, atvirkščiai, lieka Žemėje. Kai Bifas grįžta, paaiškėja, kad Cliffui yra 95 metai.
Kas nutiko?
Remiantis reliatyvumu, du atskaitos rėmai, kurie juda skirtingai vienas nuo kito, patiria skirtingai laiką, procesą, vadinamą laiko išsiplėtimas. Kadangi Bifas judėjo taip greitai, laikas iš tikrųjų judėjo lėčiau. Tai galima tiksliai apskaičiuoti naudojant Lorenco transformacijos, kurios yra standartinė reliatyvumo dalis.
Dvynių paradoksas
Pirmasis dvynių paradoksas iš tikrųjų nėra mokslinis paradoksas, bet logiškas: Kiek metų yra Bifas?
Bifas išgyveno 25 gyvenimo metus, tačiau jis taip pat gimė tą pačią akimirką kaip Cliffas, kuris buvo 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, kuris matuoja Žemės laiką (ir, be abejo, pasibaigė), jam yra 90 metų. Pagal jo kūną jam 25 metai. Nei amžius yra „teisingas“, nei „neteisingas“, nors socialinės apsaugos administracija gali padaryti išimtį, jei bandys reikalauti išmokų.
Dvynių paradoksas
Antrasis paradoksas yra šiek tiek labiau techninis ir tikrai kyla į tai, kas fizikai reiškia, kai jie kalba apie reliatyvumą. Visas scenarijus pagrįstas mintimi, kad Bifas keliavo labai greitai, todėl laikas jam lėtėjo.
Problema ta, kad reliatyvumas susijęs tik su santykiniu judesiu. Kas nutiktų, jei į Biffo požiūrį žiūrėtumėte į reikalus, jis visą laiką stovėjo vietoje, ir Cliffas judėjo dideliu greičiu. Ar neturėtų tokiu būdu atlikti skaičiavimai reikšti, kad Cliffas sensta lėčiau? Ar reliatyvumas nereiškia, kad šios situacijos yra simetriškos?
Jei Bifas ir Cliffas būtų kosminiuose laivuose, plaukiančiuose pastoviu greičiu priešingomis kryptimis, šis argumentas būtų visiškai teisingas. Specialiojo reliatyvumo taisyklės, reglamentuojančios pastovaus greičio (inercinius) atskaitos rėmus, rodo, kad svarbiausia yra tik santykinis judėjimas tarp jų. Tiesą sakant, jei judate pastoviu greičiu, nėra net jokio eksperimento, kurį galėtumėte atlikti pagal savo atskaitos rėmus, kuris jus atskirtų nuo poilsio. (Net jei pažiūrėtumėte į laivo išorę ir palygintumėte save su kokiu nors kitu pastoviu atskaitos tašku, jūs galėtumėte tai nustatyti Vienas iš jūsų juda, bet ne kuris.)
Tačiau čia yra vienas labai svarbus skirtumas: Bifas šio proceso metu pagreitėja. Klifas yra Žemėje, kuri šiuo tikslu iš esmės yra „ramybės būsenoje“ (nors iš tikrųjų Žemė įvairiais būdais juda, sukasi ir greitėja). Bifas yra erdvėlaivyje, kuriame intensyviai įsibėgėja, kad būtų galima skaityti šalia šviesos greičio. Tai reiškia, anot bendrasis reliatyvumas, kad iš tikrųjų yra fizinių eksperimentų, kuriuos galėtų atlikti Biffas ir kurie jam parodytų, kad jis įsibėgėja... ir tie patys eksperimentai parodys Clifui, kad jis nespartėja (arba bent jau įsibėgėja daug mažiau, nei yra Bifas).
Pagrindinis bruožas yra tas, kad nors Cliffas visą laiką yra viename atskaitos kadre, Biffas iš tikrųjų yra dviejuose atskaitos rėmai - tas, kur jis nutolsta nuo žemės, ir tas, kur jis grįžta į Žemė.
Taigi Bifo ir Clifo padėtis yra tokia ne iš tikrųjų simetriškas mūsų scenarijuje. Bifas yra tas, kuris patiria reikšmingesnį pagreitį, todėl jis praleidžia mažiausiai laiko.
Dvynių paradokso istorija
Šį paradoksą (kitokią formą) pirmą kartą pateikė 1911 m. Paulius Langevinas, pabrėždamas mintį, kad pagreitis savaime buvo pagrindinis elementas, sukėlęs skirtumą. Todėl Langevinas mano, kad pagreitis turėjo absoliučią prasmę. Vis dėlto 1913 m. Max von Laue pademonstravo, kad vien tik dviejų atskaitos taškų pakanka paaiškinti skirtumą ir nereikia atsižvelgti į patį pagreitį.