Paradoks Bintang Kembar

D

Dalam fisika, paradoks kembar adalah eksperimen pikiran dalam relativitas khusus yang melibatkan kembar identik, salah satunya membuat perjalanan ke ruang angkasa dalam sebuah roket berkecepatan tinggi dan kembali ke rumah untuk menemukan bahwa kembar yang tetap di Bumi telah berusia lebih. Hasil ini muncul membingungkan karena masing-masing kembaran melihat kembar lain bergerak, dan sebagainya, menurut salah naif penerapan dilatasi waktu dan prinsip relativitas, masing-masing harus paradoks menemukan lainnya telah berusia lebih lambat. Namun, skenario ini dapat diselesaikan dalam kerangka standar relativitas khusus: lintasan kembar bepergian melibatkan dua frame inertial yang berbeda, satu untuk perjalanan outbound dan satu untuk perjalanan masuk, dan sehingga tidak ada simetri antara jalur ruang-waktu dari dua kembar. Oleh karena itu, paradoks kembar tidak paradoks dalam arti kontradiksi logis. Dimulai dengan Paul Langevin pada tahun 1911, telah ada berbagai penjelasan dari paradoks ini. Penjelasan ini "dapat dikelompokkan menjadi orang yang fokus pada dampak dari standar yang berbeda simultanitas dalam bingkai yang berbeda, dan mereka yang menunjuk percepatan (dialami kembar bepergian) sebagai alasan utama ...". Max von Laue berpendapat pada tahun 1913 bahwa sejak kembar bepergian harus dalam dua frame inertial terpisah, satu di jalan keluar dan lain dalam perjalanan kembali, bingkai switch ini adalah alasan untuk perbedaan penuaan, tidak percepatan per se. Penjelasan menempatkan diajukan oleh Albert Einstein dan Max Born dipanggil gravitasi dilatasi waktu untuk menjelaskan penuaan sebagai efek langsung dari percepatan. Paradoks kembar telah diverifikasi secara eksperimental dengan pengukuran yang tepat dari jam atom diterbangkan pesawat dan satelit. Misalnya, gravitasi dilatasi waktu dan relativitas khusus bersama-sama telah digunakan untuk menjelaskan percobaan Hafele-Keating. Hal itu juga ditegaskan dalam akselerator partikel dengan mengukur waktu pelebaran beredar balok partikel.

Sejarah 

Dalam karya terkenal pada relativitas khusus pada tahun 1905, Albert Einstein meramalkan bahwa ketika dua jam dibawa bersama-sama dan sinkron, dan kemudian salah satu yang pindah dan dibawa kembali, jam yang telah menjalani perjalanan itu akan ketinggalan waktunya dari jam yang tidak ikut perjalanan. Einstein menganggap ini menjadi konsekuensi alami dari relativitas khusus, tidak paradoks karena beberapa disarankan, dan pada tahun 1911, ia disajikan kembali dan menguraikan hasil ini sebagai berikut (dengan komentar fisikawan Robert Resnick berikut Einstein):

        "Jika kita menempatkan organisme hidup dalam kotak, seseorang bisa mengatur bahwa organisme, setelah setiap penerbangan panjang sewenang-wenang, bisa dikembalikan ke tempat semula dalam kondisi hampir diubah, sedangkan organisme yang sesuai yang tetap di posisi asli mereka memiliki sudah lama diberikan cara untuk generasi baru. Untuk organisme bergerak, waktu yang panjang dari perjalanan adalah instan belaka, disediakan gerak berlangsung dengan sekitar kecepatan cahaya. "

        Jika organisme stasioner adalah seorang pria dan bepergian satu kembarnya, maka wisatawan yang kembali ke rumah untuk menemukan saudara kembarnya banyak berusia dibandingkan dengan dirinya. Paradoks berpusat di sekitar anggapan bahwa, dalam relativitas, baik kembar bisa menganggap yang lain sebagai wisatawan, dalam hal ini masing-masing harus menemukan yang lain yang lebih muda-kontradiksi logis. Anggapan ini mengasumsikan bahwa situasi si kembar yang simetris dan dipertukarkan, asumsi yang tidak benar. Selain itu, percobaan diakses telah dilakukan dan prediksi dukungan Einstein.
Pada tahun 1911, Paul Langevin memberikan "contoh yang mencolok" dengan menggambarkan kisah seorang wisatawan membuat perjalanan pada faktor Lorentz dari γ = 100 (99,995% kecepatan cahaya). Wisatawan tetap dalam proyektil untuk satu tahun waktunya, dan kemudian berbalik arah. Setelah kembali, wisatawan akan menemukan bahwa ia telah berusia dua tahun, sementara 200 tahun telah berlalu di Bumi. Selama perjalanan, baik wisatawan dan bumi terus mengirim sinyal satu sama lain pada tingkat yang konstan, yang menempatkan cerita Langevin di antara versi pergeseran Doppler dari paradoks kembar. Efek relativistik pada tingkat sinyal yang digunakan untuk memperhitungkan tingkat penuaan yang berbeda. Asimetri yang terjadi karena hanya wisatawan yang mengalami percepatan, digunakan untuk menjelaskan mengapa ada perbedaan sama sekali, karena "setiap perubahan kecepatan, atau percepatan setiap memiliki arti mutlak".
Max von Laue (1911, 1913) menguraikan penjelasan Langevin ini. Menggunakan Minkowski ini ruang-waktu formalisme, Laue melanjutkan untuk menunjukkan bahwa garis-garis dunia dari badan inertially bergerak memaksimalkan waktu yang ditentukan berlalu antara dua peristiwa. Ia juga menulis bahwa penuaan asimetris benar-benar diperhitungkan oleh fakta bahwa kembar astronot perjalanan di dua frame terpisah, sedangkan kembar Bumi tetap dalam satu frame, dan saat akselerasi dapat dibuat sewenang-wenang kecil dibandingkan dengan waktu gerak inersia. Akhirnya, Tuhan Halsbury dan lain-lain dihapus percepatan setiap dengan memperkenalkan "tiga-saudara" pendekatan. Bepergian kembar transfer jam nya membaca untuk yang ketiga, bepergian dalam arah yang berlawanan. Cara lain untuk menghindari efek percepatan adalah penggunaan efek Doppler relativistik (lihat apa yang terlihat seperti: pergeseran Doppler relativistik bawah).
Baik Einstein atau Langevin dianggap hasil tersebut menjadi bermasalah. Einstein hanya menyebutnya "aneh" saat Langevin disajikan sebagai konsekuensi dari percepatan absolut. Kedua orang berpendapat bahwa, dari diferensial waktu diilustrasikan oleh kisah si kembar, tidak ada kontradiksi-diri bisa dibangun. Dengan kata lain, tidak Einstein atau Langevin melihat kisah si kembar sebagai merupakan tantangan untuk diri konsistensi fisika relativistik.