O paradoxo dos gêmeos é um experimento mental que demonstra a curiosa manifestação de dilatação do tempo na física moderna, como foi introduzido por Albert Einstein através da teoria da relatividade.
Considere dois gêmeos, chamados Biff e Cliff. No aniversário de 20 anos, Biff decide entrar em uma nave espacial e decolar para o espaço, viajando quase A velocidade da luz. Ele viaja ao redor do cosmos nessa velocidade por cerca de 5 anos, retornando à Terra aos 25 anos.
Cliff, por outro lado, permanece na Terra. Quando Biff retorna, Cliff tem 95 anos.
O que aconteceu?
Segundo a relatividade, dois quadros de referência que se movem de maneira diferente entre si experimentam o tempo de maneira diferente, um processo conhecido como dilatação do tempo. Como Biff estava se movendo tão rapidamente, o tempo estava se movendo mais devagar para ele. Isso pode ser calculado com precisão usando Transformações de Lorentz, que são uma parte padrão da relatividade.
Twin Paradox One
O primeiro paradoxo gêmeo não é realmente um paradoxo científico, mas um lógico: Quantos anos tem o Biff?
Biff já passou por 25 anos de vida, mas também nasceu no mesmo momento que Cliff, há 90 anos. Então ele tem 25 anos ou 90 anos?
Nesse caso, a resposta é "ambos"... dependendo de como você está medindo a idade. De acordo com sua carteira de motorista, que mede o tempo da Terra (e sem dúvida expirou), ele tem 90 anos. De acordo com o corpo dele, ele tem 25 anos. Nenhuma idade é "certa" ou "errada", embora a administração da previdência social possa ter uma exceção se tentar reivindicar benefícios.
Paradoxo Dois
O segundo paradoxo é um pouco mais técnico e realmente chega ao cerne do que físicos quer dizer quando eles falam sobre relatividade. Todo o cenário é baseado na ideia de que Biff estava viajando muito rápido, então o tempo diminuiu para ele.
O problema é que, na relatividade, apenas o movimento relativo está envolvido. E se você considerasse as coisas do ponto de vista de Biff, ele permaneceu parado o tempo todo, e era Cliff quem estava se afastando em velocidade rápida. Os cálculos realizados dessa maneira não significam que Cliff é quem envelhece mais devagar? A relatividade não implica que essas situações sejam simétricas?
Agora, se Biff e Cliff estivessem em naves espaciais viajando a velocidades constantes em direções opostas, esse argumento seria perfeitamente verdadeiro. As regras da relatividade especial, que governam os quadros de referência de velocidade constante (inercial), indicam que apenas o movimento relativo entre os dois é o que importa. De fato, se você está se movendo a uma velocidade constante, não há sequer um experimento que você possa realizar dentro do seu quadro de referência que o distinga de estar em repouso. (Mesmo que você olhasse para fora do navio e se comparasse a algum outro quadro de referência constante, você só poderia determinar que um de vocês está se movendo, mas não qual.)
Mas há uma distinção muito importante aqui: Biff está acelerando durante esse processo. Cliff está na Terra, que, para isso, está basicamente "em repouso" (embora na realidade a Terra se mova, gire e acelere de várias maneiras). Biff está em uma nave espacial que sofre aceleração intensa para ler perto da velocidade da luz. Isso significa que, de acordo com relatividade geral, que na verdade existem experimentos físicos que poderiam ser realizados por Biff, que revelariam a ele que ele estava acelerando... e os mesmos experimentos mostrariam a Cliff que ele não está acelerando (ou pelo menos acelerando muito menos do que Biff).
A principal característica é que, enquanto Cliff está em um quadro de referência o tempo todo, Biff está realmente em dois referenciais - aquele em que ele está viajando para longe da Terra e aquele em que ele está voltando para o Terra.
Então, a situação de Biff e a situação de Cliff são não realmente simétrico em nosso cenário. Biff é absolutamente aquele que está sofrendo uma aceleração mais significativa e, portanto, é ele quem passa menos tempo.
História do Paradoxo Gêmeo
Esse paradoxo (de uma forma diferente) foi apresentado pela primeira vez em 1911 por Paul Langevin, no qual a ênfase enfatizava a idéia de que o aceleração em si foi o elemento chave que causou a distinção. Na opinião de Langevin, a aceleração, portanto, tinha um significado absoluto. Em 1913, porém, Max von Laue demonstrou que apenas os dois quadros de referência são suficientes para explicar a distinção, sem ter que dar conta da própria aceleração.