Il paradosso dei gemelli è un esperimento mentale che dimostra la curiosa manifestazione di dilatazione del tempo nella fisica moderna, come è stato introdotto da Albert Einstein attraverso la teoria della relatività.
Considera due gemelli, di nome Biff e Cliff. Per il loro ventesimo compleanno, Biff decide di salire su un'astronave e di decollare nello spazio, viaggiando quasi la velocità della luce. Viaggia intorno al cosmo a questa velocità per circa 5 anni, tornando sulla Terra quando ha 25 anni.
Cliff, d'altra parte, rimane sulla Terra. Quando Biff ritorna, si scopre che Cliff ha 95 anni.
Quello che è successo?
Secondo la relatività, due quadri di riferimento che si muovono in modo diverso l'uno dall'altro sperimentano il tempo in modo diverso, un processo noto come dilatazione del tempo. Poiché Biff si stava muovendo così rapidamente, il tempo in effetti si stava muovendo più lentamente per lui. Questo può essere calcolato con precisione usando Trasformazioni di Lorentz, che sono una parte standard della relatività.
Twin Paradox One
Il primo paradosso dei gemelli non è in realtà un paradosso scientifico, ma logico: Quanti anni ha Biff?
Biff ha vissuto 25 anni di vita, ma è anche nato nello stesso momento di Cliff, che è stato 90 anni fa. Quindi ha 25 o 90 anni?
In questo caso, la risposta è "entrambi"... a seconda del modo in cui stai misurando l'età. Secondo la sua patente di guida, che misura il tempo terrestre (e senza dubbio è scaduto), ha 90 anni. Secondo il suo corpo, ha 25 anni. Nessuna delle due età è "giusta" o "sbagliata", anche se l'amministrazione della sicurezza sociale potrebbe fare un'eccezione se tenta di richiedere prestazioni.
Twin Paradox Two
Il secondo paradosso è un po 'più tecnico e arriva davvero al cuore di cosa i fisici intendo quando parlano di relatività. L'intero scenario si basa sull'idea che Biff stava viaggiando molto velocemente, quindi il tempo ha rallentato per lui.
Il problema è che nella relatività è coinvolto solo il moto relativo. E se considerassi le cose dal punto di vista di Biff, allora è rimasto fermo tutto il tempo, ed è stato Cliff che si è allontanato a velocità elevate. I calcoli eseguiti in questo modo non dovrebbero significare che Cliff è colui che invecchia più lentamente? La relatività non implica che queste situazioni siano simmetriche?
Ora, se Biff e Cliff fossero su astronavi che viaggiano a velocità costante in direzioni opposte, questo argomento sarebbe perfettamente vero. Le regole della relatività speciale, che regolano i frame di riferimento a velocità costante (inerziale), indicano che è importante solo il moto relativo tra i due. In effetti, se ti muovi a velocità costante, non c'è nemmeno un esperimento che puoi eseguire nel tuo quadro di riferimento che ti distinguerebbe dall'essere a riposo. (Anche se hai guardato fuori dalla nave e ti sei confrontato con qualche altro quadro di riferimento costante, puoi solo determinarlo uno di voi si sta muovendo, ma non quale.)
Ma c'è una distinzione molto importante qui: Biff sta accelerando durante questo processo. Cliff è sulla Terra, che ai fini di questo è sostanzialmente "a riposo" (anche se in realtà la Terra si muove, ruota e accelera in vari modi). Biff è su un'astronave che subisce un'accelerazione intensa per leggere vicino alla velocità della luce. Ciò significa che, secondo relatività generale, che in realtà ci sono esperimenti fisici che potrebbero essere eseguiti da Biff che gli rivelerebbero che sta accelerando... e gli stessi esperimenti mostrerebbero a Cliff che non sta accelerando (o almeno accelerando molto meno di quanto lo sia Biff).
La caratteristica chiave è che mentre Cliff è in un frame di riferimento per tutto il tempo, Biff è in realtà in due quadri di riferimento - quello in cui si sta allontanando dalla Terra e quello in cui sta tornando Terra.
Quindi la situazione di Biff e la situazione di Cliff lo sono non effettivamente simmetrico nel nostro scenario. Biff è assolutamente quello che subisce l'accelerazione più significativa, e quindi è colui che subisce il minor numero di passaggi di tempo.
Storia del paradosso dei gemelli
Questo paradosso (in una forma diversa) fu presentato per la prima volta nel 1911 da Paul Langevin, in cui l'enfasi sottolineava l'idea che il accelerazione stesso è stato l'elemento chiave che ha causato la distinzione. Secondo Langevin, l'accelerazione aveva quindi un significato assoluto. Nel 1913, tuttavia, Max von Laue dimostrò che i due soli quadri di riferimento sono sufficienti per spiegare la distinzione, senza dover tenere conto dell'accelerazione stessa.