Was ist das Zwillingsparadoxon? Echtzeit-Reisen

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

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

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

Was ist passiert?

Entsprechend der Relativitätstheorie erfahren zwei Referenzrahmen, die sich unterschiedlich voneinander bewegen, eine unterschiedliche Zeit. Dieser Vorgang wird als Zeitdilatation bezeichnet. Weil Biff sich so schnell bewegte, ging die Zeit für ihn tatsächlich langsamer. Dies kann mithilfe von Lorentz-Transformationen, die ein Standardbestandteil der Relativitätstheorie sind, präzise berechnet werden.

Twin Paradox One

Das erste Zwillingsparadoxon ist eigentlich kein wissenschaftliches, sondern ein logisches: Wie alt ist Biff??

Biff hat 25 Jahre seines Lebens erlebt, aber er wurde auch im selben Moment geboren wie Cliff, der vor 90 Jahren geboren wurde. So ist er 25 Jahre alt oder 90 Jahre alt?

In diesem Fall lautet die Antwort "beides" - je nachdem, wie Sie das Alter messen. Seinem Führerschein zufolge, der die irdische Zeit misst (und zweifellos abgelaufen ist), ist er 90. Seinem Körper zufolge ist er 25. Keines der Altersgruppen ist "richtig" oder "falsch", obwohl die Sozialversicherungsverwaltung Ausnahmen machen könnte, wenn er dies tut versucht, Leistungen zu beanspruchen.

Zwillingsparadox Zwei

Das zweite Paradoxon ist ein bisschen technischer und kommt genau auf den Punkt, was Physiker meinen, wenn sie über Relativitätstheorie sprechen. Das gesamte Szenario basiert auf der Idee, dass Biff sehr schnell unterwegs war, so dass sich die Zeit für ihn verlangsamte.

Das Problem ist, dass bei der Relativität nur die Relativbewegung beteiligt ist. Was ist, wenn Sie die Dinge aus Biffs Sicht betrachten, dann bleibt er die ganze Zeit stationär, und es ist Cliff, der sich mit hoher Geschwindigkeit davonbewegt. Sollten auf diese Weise durchgeführte Berechnungen nicht bedeuten, dass Cliff derjenige ist, der langsamer altert? Bedeutet Relativität nicht, dass diese Situationen symmetrisch sind?

Wenn sich Biff und Cliff auf Raumschiffen befänden, die mit konstanter Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen fuhren, wäre dieses Argument völlig richtig. Die Regeln der speziellen Relativitätstheorie, die die Bezugssysteme mit konstanter Geschwindigkeit (Trägheit) regeln, zeigen, dass nur die relative Bewegung 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, um sich von der Ruhe zu unterscheiden. (Selbst wenn Sie außerhalb des Schiffes blickten und sich mit einem anderen konstanten Bezugsrahmen verglichen, konnten Sie dies nur feststellen einer von euch bewegt sich, aber nicht welche.)

Aber es gibt hier 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 Arten bewegt, dreht und beschleunigt). Biff ist auf einem Raumschiff, das eine intensive Beschleunigung erfährt, um in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu lesen. Dies bedeutet, der allgemeinen Relativitätstheorie zufolge, dass es tatsächlich physikalische Experimente gibt, die von Biff durchgeführt werden könnten, die ihm zeigen würden, dass er beschleunigt… und dieselben Experimente würden Cliff zeigen, dass er nicht beschleunigt (oder zumindest viel weniger beschleunigt als Biff ist) ).

Das Schlüsselmerkmal ist, dass sich Cliff die ganze Zeit über in einem Referenzrahmen befindet, während sich Biff tatsächlich in zwei Referenzrahmen befindet - dem, in dem er sich von der Erde entfernt und dem, in dem er zur Erde zurückkehrt.

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

Geschichte des Zwillingsparadoxons

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 das Schlüsselelement war, das die Unterscheidung verursachte. Nach Langevins Ansicht hatte Beschleunigung daher eine absolute Bedeutung. 1913 zeigte Max von Laue jedoch, dass die beiden Bezugsrahmen allein ausreichen, um die Unterscheidung zu erklären, ohne die Beschleunigung selbst berücksichtigen zu müssen.