پارادوکس دوقلوها؛ نسبی بودن زمان به چه معنا است؟

نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین به ما یاد می‌دهد که زمان نسبی است؛ اما نسبی بودن زمان دقیقاً چه معنایی دارد؟ چگونه می‌توان در جهانی زندگی کرد که در آن هیچ‌‌کس بر سر شروع یا پایان و طول عمر رویدادها توافقی ندارد؟ نظریه‌ی مشهور پارادوکس دوقلوها نشان می‌دهد زندگی در جهانی نسبیتی چگونه است.

براساس نظریه‌ی نسبیت خاص به زبان ساده، زمان در ساعتِ در حال حرکت به کندی می‌گذرد. به این پدیده اتساع زمانی گفته می‌شود. اینشتین این مفهوم را برای نجات چیزی بنیادی‌تر معرفی کرد: جهانی شدن قوانین فیزیک. اگر می‌خواهیم قوانین فیزیک (تجربه‌ی فیزیک) صرف‌نظر از چارچوب مرجع، یکسان باشند، باید زاویه‌های دید ناظرها را با سرعت‌های مختلفی تغییر دهیم.

براساس نظریه‌ی نسبیت خاص ساعتی که به یک شیء متحرک وصل شده، کندتر از ساعتی ثابت حرکت می‌کند؛ و هر اتفاقی که برای ساعت متحرک رخ می‌دهد مشابه اتفاقاتی است که برای اشیای دیگر رخ می‌دهد؛ در واقع فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی همه در چارچوب‌های مرجع متحرک، عملکرد آهسته‌تری خواهند داشت.

به‌سختی می‌توان این اثر را در مقیاس‌های انسانی اندازه‌گیری کرد زیرا تنها با نزدیک‌شدن به سرعت نور تا حد درخورتوجهی ظاهر می‌شود. بااین‌حال بازهم قابل اندازه‌گیری است. در سال ۱۹۷۱، دو فیزیکدان به نام‌های ژوزف هافل و ریچارد کیتینگ ساعت‌های اتمی را روی هواپیمای جت قرار دادند و هواپیما را به پرواز دورتادور دنیا فرستاند. وقتی ساعت‌ها به زمین بازگشتند، هماهنگی آن‌ها با ساعت زمینی از بین رفته بود و این نتیجه دقیقاً مشابه اثری بود که در نسبیت خاص پیش‌بینی شده بود.

برای درک بهتر این مسئله، دو قلوهای فرضی به نام‌های آلیس و باب را مثال می‌زنیم. تا زمانی که دوقلوها نزدیک یکدیگر باشند، ساعت آن‌ها هماهنگ است و سنشان با سرعت یکسانی بالا می‌رود؛ اما اگر باب سوار سفینه‌ای فضایی شود و با سرعت نزدیک به سرعت نور به سفر دورتادور کهکشان برود، مسئله کمی تغییر می‌کند. برای باب این سفر تنها چند ماه یا چند سال به طول انجامیده است اما براساس سرعت او ممکن است این زمان برای آلیس، ده‌ها، یا حتی صدها سال گذشته باشد.

با اینکه افسانه‌ی دوقلوها به نظر گیج‌کننده می‌رسد، تناقض نیست؛ بلکه دقیقاً همان چیزی است که در فیزیک نسبیت خاص مطرح می‌شود: ناظرهای مختلف در جهان براساس سرعت اولیه‌ی خود، محاسبات مختلفی از جریان زمانی دارند. درنتیجه یک پارادوکس واقعی وجود دارد. باب در حین سفر هیچ تفاوتی را احساس نمی‌کند. برای مثال احساس نمی‌کند به‌صورت اسلو موشن (حرکت آهسته) حرکت می‌کند. همه‌چیز کاملاً عادی به نظر می‌رسد. به قدری عادی که تا وقتی شتاب نگرفته، احساس نمی‌کند در حال حرکت است.

درنتیجه از زاویه‌ی دید باب، او کاملاً بی حرکت است و آلیس (و کل زمین) در حال دور شدن از او هستند. بله شاید این فرض غیرمحتمل به نظر برسد اما از دیدگاه فیزیکی، باب نمی‌تواند این تفاوت را بیان کند. براساس محاسبات باب، ساعت او به صورت عادی حرکت می‌کند و این ساعت آلیس است که آهسته حرکت می‌کند. درنتیجه وقتی این دو دوباره یکدیگر را ملاقات کنند، آلیس باید جوان‌تر از او به نظر برسد زیرا زمان زیادی برای اون نگذشته است. اما آلیس دقیقاً همین مسئله را درباره‌ی باب می‌گوید چراکه تصور می‌کند خود او ثابت می‌ماند و باب در حال حرکت است؛ اما چه کسی درست می‌گوید، آلیس یا باب؟ این یک پارادوکس واقعی است.

می‌توان پارادوکس دوقلوها را با نگاه کردن به تصویری کامل حل کرد. این واقعیت وجود دارد تا زمانی که باب با سرعتی ثابت در حال حرکت است، او و آلیس درباره‌ی جریان زمان با یکدیگر مخالف هستند و هر دو دیدگاه می‌توانند معتبر باشند؛ اما برای مقایسه، باب باید به زمین بازگردد. به بیان دیگر، او باید از سرعت خود بکاهد، متوقف شود و سپس فضاپیما را برگرداند، دوباره شتاب بگیرد و به خانه بازگردد.

عمل بازگشت به خانه تأثیر زیادی بر محاسبه‌ی زمانی باب خواهد گذاشت. او در واقع کاری را انجام می‌دهد که او را از چارچوب خاص مرجع او دور می‌کند و می‌تواند این کار را نه با بررسی جهان بیرون بلکه براساس مشاهدات داخل فضاپیما انجام دهد. برای مثال این مشاهدات شامل لرزش‌های موتور و به جلو رفتن بدن او نسبت به کف در حین کاهش سرعت هستند.

به دلیل این عدم تقارن، زاویه‌ی دید باب دیگر مانند زاویه‌ی آلیس معتبر نیست و دیگر نمی‌تواند ادعا کند که در وضعیت ثابتی قرار دارد و جهان اطراف او در حال حرکت است. وقتی باب در نهایت به زمین برگردد، متوجه می‌شود خود او همان دوقلویی بوده که با سرعت نور حرکت کرده است. ریاضیات نسبیت خاص به ما می‌گوید آلیس و باب در چارچوب مرجع خود چگونه با افزایش سن روبه‌رو می‌شوند و همین ریاضیات نشان می‌دهد که چگونه درباره‌ی اعداد به توافق می‌رسند.