Twins Paradox - Hängt das Altern von Bewegung ab?

Eigentlich, wenn Sie sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen$c$Sie bemerken keine Veränderung Ihrer inneren Uhren (Herzschlag, Alterung usw.). Aber jene Beobachter, die dich sehen, reisen nah heran$c$Messen Sie, ob Ihre inneren Uhren langsam sind.

Sie berühren hier mehrere Probleme, und keines davon hat eine so einfache Antwort, wie Sie wahrscheinlich möchten.

Jede Vorstellung von der Aussage "Zeit ist nur eine menschliche Wahrnehmung, sie ist keine echte physikalische Einheit" ist eher philosophisch als physikalisch - fragen Sie einen Philosophen, ob es Ihnen wichtig ist, die Probleme hinter einer solchen Aussage oder sogar die tiefere Bedeutung von zu verstehen solche Worte. Die Physik kann bestimmte, konkretere, aber möglicherweise weniger aussagekräftige Antworten liefern. Für das, was es wert ist, kann die Physik Ihnen sagen, dass die Zeit so "real" und "physisch" ist wie die Entfernung oder alles andere, was Sie messen möchten.

Anuar hat Recht damit, dass Beobachter, die Sie sehen, in der Nähe reisen$c$Messen Sie Ihre inneren Uhren als langsam, aber lassen Sie uns das etwas klarstellen. Da Sie grundlegende, philosophische Fragen der Relativitätstheorie ansprechen, lassen Sie mich zunächst ausdrücklich betonen, dass der Effekt, den Anuar erwähnt, in keiner Weise ein Effekt der menschlichen Wahrnehmung ist. Es ist eine grundlegende, physikalische Realität des Universums. Die Relativitätstheorie sagt uns, dass Prozesse, die von Menschen nicht wahrgenommen werden und die in keiner Weise von menschlicher Wahrnehmung beeinflusst werden, so ablaufen werden, als würde das Altern einer Person (oder irgendetwas anderem) mit einer relativen Geschwindigkeit ungleich Null ablaufen$v$wird um den Faktor verlangsamt$\frac{1}{1-v^2/c^2}$. Wenn irgendein externes Objekt (bewusst oder nicht) – nennen wir dieses Objekt Bob – in einem Raumschiff zu einem signifikanten Bruchteil von reist$c$relativ zu Ihnen, dann wird die Uhr an Bobs Handgelenk verglichen mit der Uhr an Ihrem Handgelenk langsam sein.

Es kann hilfreich sein, in diesem Fall einen relevanten Kontext für den Begriff "Uhr" bereitzustellen. Da sich Ihre Frage anscheinend auf Biologie konzentriert, definieren wir sie in Bezug auf Biologie. Grundlegende biologische Prozesse - sagen wir mal der Krebszyklus - laufen unter gegebenen Bedingungen (zB NTP) mit bestimmten, festen Raten ab. Lassen Sie uns daher einen Krebszyklus als einen Tick Ihrer Uhr definieren. An dieser Stelle ist es wichtig festzuhalten, dass es keinen universellen, „richtigen“ Zeitbegriff gibt. Zeit wird immer relativ zu etwas gemessen. Das Universum erlaubt Ihnen nicht, einen Zeitbegriff zu definieren, der unabhängig von einer physikalisch realisierbaren Uhr ist. Daher ist der Krebs-Zyklus eine so gute und reale Uhr, wie wir sie uns wünschen oder wie wir sie brauchen. Das sagt die Relativitätstheoriewenn Sie Zeuge einer anderen Person werden, die sich mit einem erheblichen Bruchteil von an Ihnen vorbeibewegt$c$, das Verhältnis der Rate, mit der diese Person altert, zu der Rate, mit der die Krebszyklen dieser Person fortschreiten, dasselbe Verhältnis für Sie oder jeden anderen sein wird, aber dass Sie alle Prozesse messen werden, einschließlich der grundlegenden, physischen / chemischer Prozess des Krebszyklus und jeder andere denkbare Standard, mit dem Sie die Zeit messen könnten, als langsamer als in Ihrem eigenen Körper . Es gibt nicht einmal im Prinzip irgendein Mittel, mit dem Sie erkennen könnten, welche Person das „Zeitverhältnis“ „richtig“ hat. Ob dieser Effekt "echt" ist oder nicht, ist keine physikalische Frage.

Um auf Ihre ursprüngliche Frage zurückzukommen, lautet die Antwort leider, dass es größtenteils auf die Definition der von Ihnen verwendeten Wörter ankommt. Die Alterungsrate für jeden Zwilling im Paradoxon, gemessen relativ zu jeder sinnvollen Vorstellung von Zeit, die relativ zu ihm selbst gemessen wird, wie zum Beispiel die Rate, mit der die chemischen Prozesse in seinen Zellen ablaufen, ist gleich. Andererseits misst jeder Zwilling, dass die Alterungsrate seines Zwillings langsamer ist als die von ihm selbst. Beide Aussagen sind vollständig und objektiv wahr.Es ist jedoch erwähnenswert, dass das klassische Zwillingsparadoxon im Zusammenhang mit der speziellen Relativitätstheorie formuliert wird, die den tatsächlichen Prozess nicht erklären kann, bei dem sich mindestens ein Zwilling umdreht, um zu seinem Bruder zurückzukehren, und dass die spezielle Relativitätstheorie diese Frage nicht beantworten kann von denen der Zwilling älter sein wird, wenn sie wieder vereint sind, und dass die allgemeine Relativitätstheorie sowohl notwendig als auch ausreichend ist, um das Paradoxon aufzulösen.

Ihre Zellen altern in Ihrem mitbewegten Inertialsystem immer genau mit einer Rate von einer Sekunde pro Sekunde; sie werden letztlich von den gleichen physikalischen Prozessen bestimmt, die regelmäßige Intervalle in einer Uhr definieren, die als Zeitmesser konstruiert ist. Wenn die Uhr im Verhältnis zum alten Mann in dem Lied in Ruhe bleibt, tickt "My Grandfather's Clock" immer gleich oft, um "neunzig Jahre ohne Schlummer" zu zählen, um genau die Lebensdauer des alten Mannes zu umfassen, egal was passiert Weg durch die Raumzeit des Paares nehmen kann. Der Punkt ist, dass die Zeit durch die Geschwindigkeit physikalischer Prozesse definiert wirdund in unserem Universum beobachten wir, dass die Verhältnisse der Geschwindigkeiten dieser Prozesse immer gleich sind, wenn sie im selben Inertialsystem stattfinden, seien es Pendelschwingungen, chemische Reaktionen, Intervalle zwischen den Zellteilungs- und Apoptoseereignissen und die Alterungsprozesse diese implizieren oder sogar die neuronalen Prozesse, die die menschliche Wahrnehmung selbst definieren; Wahrnehmung selbst ist ein physikalischer Prozess, und es ist in der Physik nicht sinnvoll zu sagen, dass etwas "nur eine Wahrnehmung" ist. Sie haben also immer das Gefühl, dass Sie im Vergleich zu dem, was in Ihrer unmittelbaren Nachbarschaft in der Welt passiert, mit der gleichen Rate altern.

So wie das Ratenverhältnis jedes Paares physikalischer Prozesse immer gleich ist, wenn sich die Prozesse im selben Inertialsystem befinden, ändert sich dasselbe Verhältnis, wenn die beiden Prozesse in unterschiedlichen, sich relativ bewegenden Inertialsystemen stattfinden (oder allgemeiner, wenn ihre augenblicklich mitbewegten Trägheitsrahmen unterscheiden sich); die Variation wird durch die Lorentz-Transformation und ihren implizierten Zeitdilatationsfaktor bestimmt. Dies ist die grundlegende Bedeutung der Zeit in der Physik, und wir stellen fest, dass es keine Rolle spielt, ob es sich bei den Geschwindigkeiten um Pendelbewegungen, chemische Reaktionen oder was auch immer handelt. Es ist die experimentelle Tatsache, dass diese Verhältnisse unabhängig von den physikalischen Prozessen sind, die es uns ermöglicht, eine gut definierte Vorstellung von Zeit in unserer Welt zu haben.

Wenn Sie sich schnell bewegen, verlangsamt sich Ihr Altern – siehe Minkowski-Diagramm: Es gibt 3 Weltlinien von Raumschiffen, die in t=10 Minuten (Erdzeit) 1, 2 und 3 Lichtminuten reisen. Die Eigenzeit τ nimmt von 10 Minuten auf 9,54 Minuten ab. Das Verhältnis τ/t nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit ab. Das bedeutet, dass sich Ihr Altern verlangsamt, wenn Sie sich schnell bewegen.

Aber Moment mal, es gibt nur ein kleines Problem zu lösen: Geschwindigkeit ist relativ! Das heißt, wenn das Raumschiff behauptet, sich zu bewegen (gemäß dem Erdrahmen), könnte die Erde auch behaupten, sich zu bewegen (gemäß dem Rahmen des Raumschiffs). Wer altert weniger, die Erde oder das Raumschiff?

Die Physik bietet zwei Lösungen zur Schlichtung dieses Konflikts an:

• Die erste Lösung besteht darin, sich auf einen bevorzugten Referenzrahmen (insbesondere: mitbewegte Koordinaten) zu beziehen. Das Ergebnis wird sein, dass sich gemäß dem bevorzugten Bezugssystem nicht die Erde, sondern das Raumschiff mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt.

• Die zweite Lösung ist die vom Zwillingsparadoxon vorgeschlagene: Eine spätere Begegnung zwischen beiden Rahmen, damit beide Zwillinge ihre Uhren synchronisieren können. Eine Begegnung impliziert jedoch, dass mindestens einer der beiden Rahmen seine lineare Bewegung einstellt, um eine Rundreise zu erreichen. In dem Beispiel wird das Raumschiff zur Erde zurückkehren (es ist weniger wahrscheinlich, dass die Erde zum Raumschiff zurückkehrt).

Ich weiß, die Theorie besagt, dass es Zeit ist, die langsamer wird

NEIN; das ist eine frustrierend alberne Formulierung, die leider in einigen Popularisierungen verbreitet wurde. Was man stattdessen mit Zuversicht sagen kann:

1. Um Aussagen über Werte einer Größe zu machen (insbesondere ob sie gleich oder ungleich sind), muss die betrachtete Größe definiert werden; damit auch erklärt, wie seine Werte zumindest im Prinzip zu messen sind.

Das nennt man die Theorie spezifizieren; Daher ist es sicherlich vernünftig zu sagen, dass eine bestimmte Theorie einen bestimmten Bereich von Werten einer bestimmten Größe oder eine bestimmte Beziehung zwischen Werten von Größen impliziert, die in demselben Versuch bewertet wurden. In Bezug auf die Relativitätstheorie und insbesondere ihre Methode zum Messen (Vergleichen) von Dauern kann gefolgert werden (zum Beispiel):

2. Wenn zwei Teilnehmer voneinander abgereist sind und sich anschließend wieder getroffen haben, ist die Dauer des einen Teilnehmers von der Abreise bis zum Wiedersehen nicht unbedingt gleich der Dauer des anderen Teilnehmers von der Abreise bis zum Wiedersehen; das Verhältnis hängt von den Details der (einzelnen) Anträge dieser Teilnehmer ab (wie sie von Mitgliedern eines beliebigen geeigneten Referenzsystems gemeinsam in Bezug zueinander beschrieben werden).

Die Vorschrift des typischen "Zwillingsparadox"-Setups ist so, dass die Dauer eines Zwillings von ihrer Abreise bis zu ihrer Wiedervereinigung sich von der Dauer der anderen Zwillinge von ihrer Abreise bis zu ihrer Wiedervereinigung unterscheidet.

Zur Veranschaulichung und allgemeinen Richtlinie: Die Dauer, von der Abreise bis zur Wiedervereinigung, eines Zwillings, der während des gesamten Prozesses Mitglied eines bestimmten Trägheitssystems war und blieb (und der daher als "zu Hause bleibender Zwilling" bezeichnet werden könnte, bzw der "settled twin") ist immer größer als die Dauer, von der Abreise bis zur Wiedervereinigung, eines Zwillings, der es nicht war (aber der "zwischen Inertialsystemen wechselte", oder der zu keinem Zeitpunkt Mitglied eines Inertialsystems war, und der daher als "roaming twin" bezeichnet werden könnte). Das Verhältnis
"Dauer des Wanderers / Dauer des Siedlers"
wird natürlich (stückweise, schematisch) durch die Zahl dargestellt$\sqrt{1 - (v/c)^2}$, wo die Geschwindigkeit$v$des wandernden Zwillings in Bezug auf die Mitglieder des Inertialsystems bestimmt, zu denen der stationäre Zwilling durchgehend gehörte.

aber mein Verständnis (es kann falsch sein) ist, dass Zeit nur eine menschliche Wahrnehmung ist, es ist keine echte physikalische Einheit.

Nun, das Wort „ Zeit “ wird in verschiedenen mehr oder weniger genau definierten Bedeutungen verwendet. Der Eindeutigkeit halber: Die entsprechende physikalische geometrisch-kinematische Größe, deren Messung im Rahmen der Relativitätstheorie definiert ist, kann als „Dauer“ bezeichnet werden. (Diejenigen, die bei der Wahl der Terminologie anscheinend weniger vorsichtig sind, könnten diese Größe stattdessen als "Eigenzeit" bezeichnen.)

Können wir aus dem Zwillingsparadox schließen, dass der Alterungsprozess (Zellzerfall oder andere biologische Prozesse) von Bewegung abhängt?

Das „Zwillingsparadoxon“ verdeutlicht die Notwendigkeit und Möglichkeit, Laufzeiten überhaupt zu vergleichen. Dadurch erhalten wir die Mittel, Raten verschiedener Prozesse zu bestimmen und zu vergleichen ; wie der Vergleich der Rate des Alterungsprozesses eines Zwillings mit der Rate des Alterungsprozesses des anderen Zwillings. (Vielleicht geht die Angabe der Teilnehmer als Zwillinge mit der Erwartung einher, dass ihre getrennten Alterungsraten gleich bleiben sollten, während sie voneinander getrennt waren. Aber das erspart natürlich nicht, ihre Alterungsraten tatsächlich zu messen / zu vergleichen, Versuch für Versuch ; und dies erfordert eine Erklärung, wie zu messen ist, wie oben angegeben.)