Paradoks blizanaca misaoni je eksperiment koji pokazuje znatiželjnu manifestaciju vremenska dilatacija u modernoj fizici, kako ju je uveo Albert Einstein kroz teoriju relativnosti.
Razmislite o dva blizanca, imenom Biff i Cliff. Na njihov 20. rođendan, Biff odlučuje ući u svemirski brod i poletjeti u svemir, putujući gotovo brzina svjetlosti. On putuje oko kosmosa ovom brzinom oko 5 godina, vraćajući se na Zemlju kada ima 25 godina.
Cliff, s druge strane, ostaje na Zemlji. Kad se Biff vrati, ispada da Cliff ima 95 godina.
Što se dogodilo?
Prema relativnosti, dva referentna okvira koja se kreću različito jedan od drugog doživljavaju vrijeme drugačije, proces poznat kao vremenska dilatacija. Budući da se Biff kretao tako brzo, vrijeme je za njega teklo sporije. To se može precizno izračunati pomoću Lorentzove transformacije, koji su standardni dio relativnosti.
Dvostruki paradoks jedan
Prvi paradoks blizanaca zapravo nije znanstveni paradoks, već logičan: Koliko godina ima Biff?
Biff je doživio 25 godina života, ali također se rodio istog trenutka kao i Cliff, a to je bilo prije 90 godina. Znači on ima 25 godina ili 90 godina?
U ovom slučaju, odgovor je "oboje"... ovisno o tome na koji način mjeriš dob. Prema njegovoj vozačkoj dozvoli koja mjeri vrijeme Zemlje (a nesumnjivo joj je istekao), ima 90 godina. Prema njegovom tijelu, ima 25 godina. Nijedna dob nije "ispravna" ili "kriva", iako bi uprava socijalnog osiguranja mogla napraviti iznimku ako pokuša zatražiti naknade.
Dva paradoksa dva blizanaca
Drugi paradoks je malo tehničkiji i stvarno dolazi u srcu onoga fizičari znači kad govore o relativnosti. Čitav scenarij zasnovan je na ideji da je Biff putovao vrlo brzo, tako da mu se vrijeme usporilo.
Problem je što u relativnosti sudjeluje samo relativno kretanje. Pa što ako razmisliš o stvarima s Biffove točke gledišta, on je cijelo vrijeme ostao nepomičan, a Cliff se udaljavao velikom brzinom. Ne bi li se trebali izračunati na ovaj način značiti da je Cliff taj koji polako stari? Ne odnosi li relativnost da su te situacije simetrične?
Da su Biff i Cliff bili na svemirskim brodovima koji putuju konstantnom brzinom u suprotnim smjerovima, ovaj bi argument bio potpuno istinit. Pravila posebne relativnosti koja upravljaju stalnim (inercijalnim) referentnim okvirima brzine, pokazuju da je važno samo relativno kretanje između ta dva. U stvari, ako se krećete konstantnom brzinom, ne postoji čak ni eksperiment koji biste mogli izvesti u vašem referentnom okviru koji bi vas razlikovao od odmora. (Čak i ako pogledate izvan broda i usporedite sebe s nekim drugim stalnim referentnim okvirom, to biste mogli samo utvrditi jedan od vas kreće se, ali ne koji.)
Ali ovdje postoji jedna vrlo važna razlika: Biff ubrzava tijekom ovog procesa. Cliff je na Zemlji, koji je za to u osnovi "u mirovanju" (iako se u stvarnosti Zemlja kreće, rotira i ubrzava na različite načine). Biff se nalazi na svemirskom brodu koji podvrgava intenzivnom ubrzanju čitanja blizu svjetlosne brzine. To znači, prema opća relativnost, da postoje zapravo fizički eksperimenti koje bi mogao izvesti Biff, a koji bi mu otkrili kako ubrzava... a isti bi eksperimenti pokazali Cliffu da ne ubrzava (ili barem ubrzava puno manje nego Biff).
Ključna značajka je da iako je Cliff cijelo vrijeme u jednom referentnom okviru, Biff je zapravo u dvoje referentni okviri - onaj gdje putuje sa Zemlje i onaj gdje se vraća natrag Zemlja.
Dakle, Biffova situacija i Cliffova situacija su ne zapravo simetričan u našem scenariju. Biff je apsolutno onaj koji prolazi kroz značajnije ubrzanje, i samim tim je on onaj koji prolazi najmanju količinu vremena.
Povijest Blizanačkog paradoksa
Ovaj paradoks (u drugačijem obliku) prvi je put predstavio 1911. Paul Langevin, u kojem je naglasak isticao ideju da ubrzanje sam je bio ključni element koji je uzrokovao razliku. Prema Langevinovom mišljenju, ubrzanje je, dakle, imalo apsolutno značenje. 1913., međutim, Max von Laue pokazao je da su dva referentna okvira dovoljna da objasne razliku, a da ne mora računati na samo ubrzanje.