Paradoks bliźniąt – dowód na prawdziwość teorii Einsteina

Zanim przejdziemy do omawiania paradoksu bliźniąt należy kilka słów poświęcić na omówienie głównych założeń teorii względności Einsteina.

Jako pierwsza została sformułowana szczególna teoria względności. Zajmuje się ona zależnościami pomiędzy obiektami znajdującymi się w ruchu. Podstawę tej teorii stanowi założenie, że prędkość światła ma identyczną wartość w każdym z inercjalnych układów odniesienia i nie ma tu żadnego znaczenia ewentualny ruch źródła światła bądź obserwatora.

Szczególna teoria względności zakłada, że Wszechświat opisywany jest jako czterowymiarowa przestrzeń, w której punkty nazywane są zdarzeniami. Każdy punkt odpowiada danemu zjawisku fizycznemu. Teoria ta traktuje więc czas jako czwarty wymiar, wskazując, że czas związany jest ściśle z układem odniesienia, w którym jest mierzony. Tak więc jeśli obserwator znajdzie się w inercjalnym układzie odniesienia czyli nie będzie poddawany działaniu przyspieszenia wtedy czas przez niego mierzony będzie biegł wolniej. Sformułowanie Einsteina podkreśla względność pomiarów naukowych.

Konsekwencją szczególnej teorii względności jest słynne równanie traktujące o równoważności masy i energii E = mc, gdzie E to energia, m - masa a c to prędkość światła. Wynika stąd, że w przyrodzie mogą zachodzić procesy, w których zmniejszeniu się masy układu o m towarzyszy oddanie przez układ energii E.

W roku 1915 Einstein sformułował ogólną teorię względności. Stanowi ona rozwinięcie szczególnej teorii. Ogólna teoria względności zajmuje się układami, które poruszają się z przyspieszeniem.

A podstawę sformułowania ogólnej teorii posłużyła Einsteinowi zasada równoważności masy grawitacyjnej i masy bezwładnej. Wynika z tego, że nie można odróżnić efektów przyspieszenia od efektów działania pola grawitacyjnego. Założenie Einsteina dobrze obrazuje sytuacja statku kosmicznego znajdującego się na orbicie. Jeśli silniki zostają wyłączone to przedmioty na statku znajdują się w stanie spadku swobodnego. Natomiast gdy zostaną one ponownie włączone i statek zacznie opuszczać orbitę to na skutek przyspieszenia statku załoga będzie znowu odczuwała ciężar.

Na podstawie tej równoważności Einstein doszedł do wniosku, że wobec tego grawitacja musi powodować zakrzywienie drogi promienia świetlnego o określoną wartość, którą można obliczyć. Późniejsze eksperymenty potwierdziły ten wniosek.

Uogólniając można stwierdzić za Einsteinem , że materia powoduje wygięcie się czterowymiarowej przestrzeni. To wygięcie ma wpływ na wszystkie poruszające się w tej przestrzeni obiekty.

Teoria Einsteina została kilka lat później potwierdzona dzięki obserwacjom astronomicznym. Dowodzi min. zjawiska rozszerzania się Wszechświata i tłumaczy powstawanie czarnych dziur.

Zajmijmy się teraz pojęciem paradoksu bliźniąt. Wcześniej zostało powiedziane, że czas jest ściśle związany z układem odniesienia , w którym jest mierzony. Wyobraźmy więc sobie następujący eksperyment myślowy. W pewnym mieście na świat przychodzi para bliźniaków. Akcja opowiastki toczy się w epoce lotów kosmicznych, kiedy możliwe jest wieloletnie przebywanie w przestrzeni kosmicznej. Po urodzeniu jedno z dzieci zostaje umieszczone na statku kosmicznym , a drugie pozostaje na powierzchni naszej planety. Załóżmy , że prędkość rakiety , na której znajduje się dziecko jest bardzo duża, porównywalna z prędkością światła. Po upływie kilku lat ziemskich rakieta zawraca. Dochodzi do spotkania się braci i bliźniaków. I co się okazuje? Brat , który został na Ziemi jest zdecydowanie starszy od uczestnika wyprawy kosmicznej.

Tymczasem nie całkiem zgadza się to z założeniami obu braci. Mianowicie według brata zostającego na Ziemi to brat opuszczający planetę na statku kosmicznym będzie starzał się wolniej. Ale dla brata na statku to Ziemia oddala się od niego z prędkością bliską prędkości światła i ma on prawo zakładać, że to brat na Ziemi będzie starzał się wolniej. Nie jest jednak możliwe równoczesne spełnienie obu założeń. Stąd bierze się paradoks, oczywiście przy założeniu, że żaden z układów odniesienia nie jest wyróżniony. Tymczasem układ związany z rakietą poruszającą się z przyspieszeniem nie jest układem inercjalnym. Następuje więc w nim dodatkowy efekt zwany dylatacją czyli wydłużeniem czasu.

Tak więc w rzeczywistości paradoks zanika gdy zarzuci się próbę wyjaśnienia tej sytuacji w oparciu o szczególną teorię względności , która odnosi się do układów inercjalnych.

Ten eksperyment myślowy poniekąd został wcielony w życie. Tyle tylko, że ludzi zastąpiły identyczne zegary atomowe. Miało to miejsce w roku 1971. Wtedy to dwaj fizycy ze Stanów Zjednoczonych wpadli na pomysł umieszczenia czterech zegarów atomowych na pokładzie odrzutowca. Natomiast cztery identyczne zegary pozostawiono w celach porównawczych na powierzchni Ziemi. Start odrzutowca miał miejsce w Waszyngtonie. Po starcie odrzutowiec wykonał dwa okrążenia wokół naszej planety po czym powrócił na Ziemię. No i okazało się , ze Einstein miał rację. Różnica w czasie pokazywanym przez zegary , które powróciły z przestrzeni kosmicznej i czasu mierzonego na Ziemi wynosiła około 300 miliardowych sekundy. Wydaje się, że jest to nieskończenie mała różnica, niemniej jednak świadcząca o prawdziwości teorii Einsteina.

Paradoks bliźniąt nie dotyczy nas bezpośrednio, nie mamy bowiem do czynienia z układami poruszającymi się z ogromnymi prędkościami. Niemniej jednak okazuje się , że musi on być uwzględniany przez statki, które są sterowane dzięki wykorzystaniu satelitów.