ما هو مفارقة التوأم؟ السفر في الوقت الحقيقي

مفارقة التوأم هي تجربة فكرية تظهر المظهر الغريب لل تمدد الزمن في الفيزياء الحديثة ، كما قدمها البرت اينشتاين من خلال نظرية النسبية.

لنأخذ توأمان ، اسمهما بيف وكليف. في عيد ميلادهم العشرين ، قرر بيف ركوب مركبة فضائية والإقلاع إلى الفضاء الخارجي ، والسفر تقريبًا سرعة الضوء. يسافر حول الكون بهذه السرعة لمدة 5 سنوات تقريبًا ، ويعود إلى الأرض عندما يبلغ من العمر 25 عامًا.

من ناحية أخرى ، يبقى كليف على الأرض. عندما يعود Biff ، اتضح أن كليف يبلغ من العمر 95 عامًا.

وفقًا للنسبية ، هناك إطاران مرجعيان يتحركان بشكل مختلف عن بعضهما البعض ويختبران الوقت بشكل مختلف ، وهي عملية تعرف باسم تمدد الزمن. لأن Biff كان يتحرك بسرعة كبيرة ، كان الوقت في الواقع يتحرك بشكل أبطأ بالنسبة له. يمكن حساب ذلك بدقة تحولات لورنتزوهي جزء قياسي من النسبية.

أول مفارقة توأم ليست في الحقيقة مفارقة علمية ، لكنها مفارقة منطقية: كم عمر بيف؟

شهد بيف 25 عامًا من الحياة ، لكنه ولد أيضًا في نفس اللحظة التي عاشها كليف ، والتي كانت قبل 90 عامًا. فهل هو عمره 25 سنة أم 90 سنة؟

في هذه الحالة ، الجواب "كلاهما"... اعتمادًا على الطريقة التي تقيس بها العمر. وفقًا لرخصة القيادة الخاصة به ، والتي تقيس وقت الأرض (ولا شك أنها انتهت صلاحيتها) ، يبلغ من العمر 90 عامًا. بحسب جسده ، يبلغ من العمر 25 عامًا. لا السن "صحيح" أو "خطأ" ، على الرغم من أن إدارة الضمان الاجتماعي قد تستثني إذا حاول المطالبة بالمزايا.

المفارقة الثانية هي تقنية أكثر قليلاً ، وتأتي في صميم ما الفيزيائيين يعني عندما يتحدثون عن النسبية. السيناريو بأكمله يعتمد على فكرة أن بيف كان يسافر بسرعة كبيرة ، لذلك تباطأ الوقت بالنسبة له.

المشكلة هي أنه في النسبية ، فقط الحركة النسبية المعنية. لذا ماذا لو فكرت في الأشياء من وجهة نظر بيف ، فقد ظل ثابتًا طوال الوقت ، وكان كليف هو الذي ابتعد بسرعة عالية. ألا يجب أن تجرى الحسابات بهذه الطريقة أن كليف هو الذي يتقدم ببطء في العمر؟ ألا تعني النسبية أن هذه المواقف متناظرة؟

الآن ، إذا كان Biff و Cliff على متن سفن فضائية تسير بسرعات ثابتة في اتجاهات متعاكسة ، فإن هذه الحجة ستكون صحيحة تمامًا. تشير قواعد النسبية الخاصة ، التي تحكم الأطر المرجعية للسرعة الثابتة (القصور الذاتي) ، إلى أن الحركة النسبية فقط بين الاثنين هي ما يهم. في الواقع ، إذا كنت تتحرك بسرعة ثابتة ، فلا توجد حتى تجربة يمكنك إجراؤها في إطار مرجعيتك تميزك عن الراحة. (حتى لو نظرت خارج السفينة وقارنت نفسك بإطار مرجعي ثابت آخر ، يمكنك تحديد ذلك فقط واحد منكم يتحرك ، ولكن ليس أي واحد.)

ولكن هناك تمييز واحد مهم للغاية هنا: Biff يتسارع خلال هذه العملية. يقع كليف على الأرض ، وهو لأغراض "في حالة الراحة" بشكل أساسي (على الرغم من أن الأرض تتحرك في الواقع ، وتدور ، وتسارع بطرق مختلفة). Biff على متن سفينة فضائية تخضع لتسارع مكثف للقراءة بالقرب من سرعة الضوء. هذا يعني ، وفقا ل النسبية العامة، أن هناك بالفعل تجارب جسدية يمكن أن يقوم بها Biff والتي ستكشف له أنه يتسارع... ونفس التجارب ستظهر لكليف أنه لا يتسارع (أو على الأقل يسارع أقل بكثير من Biff).

الميزة الرئيسية هي أنه في حين أن كليف في إطار مرجعي واحد طوال الوقت ، فإن Biff في الواقع في إطارين الإطارات المرجعية - تلك التي يسافر بها بعيدًا عن الأرض وتلك التي يعود إليها أرض.

لذا فإن وضع بيف ووضع كليف ليس متناظر في الواقع في سيناريونا. Biff هو بالتأكيد الشخص الذي يمر بتسارع أكثر أهمية ، وبالتالي فهو الشخص الذي يمر بأقل قدر من الوقت.

تم تقديم هذه المفارقة (في شكل مختلف) لأول مرة في عام 1911 من قبل Paul Langevin ، حيث شدد التأكيد على فكرة أن التسريع في حد ذاته كان العنصر الرئيسي الذي تسبب في التمييز. في نظر لانغفين ، التسارع ، لذلك ، كان له معنى مطلق. في عام 1913 ، على الرغم من ذلك ، أظهر ماكس فون لاو أن الإطارين المرجعيين فقط كافيين لتفسير التمييز ، دون الحاجة إلى حساب التسارع نفسه.