Paradoks bliźniąt

Jednym z najbardziej znanych eksperymentów myślowych, którego celem było podważenie słuszności szczególnej teorii względności Einsteina jest tzw. paradoks bliźniąt. Jak się pewnie domyślasz i ten eksperyment myślowy (a było ich naprawdę wiele!) został obalony.

Na czym polega paradoks bliźniąt? Wyobraźmy sobie następującą sytuację: dwaj bracia bliźniacy żyjący beztrosko w miejscowości X, po osiągnięciu pełnoletności postanowili, że ich drogi się rozejdą. Jeden z nich został członkiem programu lotów kosmicznych i poleciał statkiem kosmicznym, poruszającym się z prędkością bliską c, na oddaloną o 15 lat świetlnych gwiazdę. Drugi brat został na Ziemi i postanowił zostać fizykiem. Pobyt pierwszego brata na odległej gwieździe był zaplanowany tylko na kilka miesięcy, po upływie których ponownie wsiadł do statku kosmicznego i po przebyciu znowu tej samej odległości wrócił na naszą planetę.

Który brat będzie starszy?

Jednym z wniosków płynących ze szczególnej teorii względności Einsteina jest stwierdzenie, że szybkość upływu czasu pomiędzy zdarzeniami jest zmienna i zależy od względnego ruchu (zobacz: względność czasu). Oczekujemy więc, że czas związany z układem odniesienia brata podróżującego statkiem kosmicznym będzie płynął wolniej aniżeli brata pozostającego na planecie Ziemi. I tak faktycznie jest! Brat – fizyk będzie staruszkiem a brat – kosmonauta będzie młodszy o kilkadziesiąt lat. Czy to jest ten paradoks? Nie, dlatego że wolniejszy/szybszy upływ czasu, jak napisaliśmy wcześniej, jest efektem przewidzianym przez teorię względności. Paradoks rozpoczyna się w momencie, gdy całą tą sytuację będziemy rozpatrywać z punktu widzenia bliźniaka – kosmonauty. Otóż może on stwierdzić, że to właśnie jego brat bliźniak oddala się od jego statku kosmicznego z prędkością bliską c  a więc to brat – fizyk powinien być młodszy. Który z braci ma więc rację, jeżeli wiadomo, że żaden układ odniesienia nie jest układem wyróżnionym (jedno z założeń szczególnej teorii względności)?

Jeżeli dokładnie przeanalizuje się opisaną wyżej sytuację okaże się, że układ odniesienia związany z bliźniakiem – kosmonautą jest układem wyróżnionym. Dlaczego? Ponieważ bliźniak ten podlega działaniu silnych przyspieszeń podczas ruszania i hamowania statku kosmicznego, a jak wiemy szczególna teoria względności dotyczy tylko i wyłącznie inercjalnych układów odniesienia tj. układów poruszających się ze stałą prędkością. W związku z tym faktem prawidłowy opis przedstawionej sytuacji jest poprawny z punktu widzenia bliźniaka – fizyka, który pozostał na Ziemi i który wobec tego zestarzeje się szybciej, niż jego brat bliźniak.

Podróże z prędkością światła – eliksir młodości?

Wolniejszy upływ czasu związany z obiektami poruszającymi się z prędkością bliską prędkości światła jest faktem. Gdybyśmy tylko mogli poruszać się z tak dużą prędkością, to z całą pewnością podróże świetlne stałyby się przysłowiowym eliksirem młodości (zobacz: Względność czasu – zadanie nr 4).