Paradoja de los gemelos: ¿el envejecimiento depende del movimiento?

Question

Estoy tratando de entender la Paradoja de los Gemelos (relatividad) y sus implicaciones.

¿Podemos deducir de la Paradoja de los Gemelos que el proceso de envejecimiento (descomposición celular u otros procesos biológicos) depende del movimiento? Cuando me muevo rápido, ¿se ralentiza mi ritmo de envejecimiento?

Sé que la teoría dice que es el tiempo el que se ralentiza, pero lo que yo entiendo (puede estar equivocado) es que el tiempo es sólo una percepción humana, no es una entidad física real. Si el tiempo no es real, fuera de la percepción humana, entonces debe ser el proceso biológico de envejecimiento que se ve afectado por el movimiento, en el experimento de la Paradoja de los Gemelos.

Por favor, ayúdenme, ¿qué estoy entendiendo mal?

Answer 1

En realidad, cuando te acercas a la velocidad de la luz $c$ no notas ningún cambio en tus relojes internos (latidos del corazón, envejecimiento, etc). Pero los observadores que te ven viajar cerca de $c$ medir que sus relojes internos son lentos.

Answer 2

Estás tocando múltiples temas aquí, y ninguno de ellos tiene una respuesta tan simple como probablemente quieres.

Cualquier afirmación de que "el tiempo es sólo una percepción humana, no es una entidad física real" es realmente filosófica y no física -pregúntele a un filósofo si quiere entender las cuestiones que hay detrás de esa afirmación, o incluso los significados más profundos de esas palabras. La física puede proporcionar ciertas respuestas más concretas, pero potencialmente menos significativas. Por si sirve de algo, la física puede te diga que el tiempo es tan "real" y "físico" como la distancia, o cualquier otra cosa que quieras medir.

Anuar tiene razón en que los observadores que te ven viajar cerca de $c$ miden sus relojes internos como lentos, pero vamos a aclarar esto. En primer lugar, ya que estás tocando temas fundamentales y filosóficos de la relatividad, permíteme decir explícitamente que el efecto que menciona Anuar no es en absoluto un efecto de la percepción humana. Es una realidad física fundamental del universo. La relatividad nos dice que los procesos que no son percibidos por el ser humano y que de ninguna manera están influenciados por la percepción humana procederán como si el envejecimiento de una persona (o cualquier otra cosa) con una velocidad relativa no nula $v$ se ralentiza por un factor de $\frac{1}{1-v^2/c^2}$ . Si cualquier objeto externo (consciente o no) -llamemos a ese objeto Bob- viaja en una nave espacial a una fracción significativa de $c$ con respecto a ti, entonces comparado con el reloj de tu muñeca, el reloj de la muñeca de Bob será lento.

En este caso, puede ser útil proporcionar un contexto relevante a la noción de "reloj". Dado que su pregunta parece centrarse en la biología, definámosla en términos de biología. Los procesos biológicos fundamentales -el ciclo de Krebs, por ejemplo- se desarrollan en determinadas condiciones (NTP, por ejemplo) a un ritmo fijo. Por lo tanto, definamos un ciclo de Krebs como un tictac de su reloj. Es importante señalar aquí que no existe una noción universal y "correcta" del tiempo. El tiempo siempre se mide en relación con algo. El universo no permite definir ninguna noción de tiempo que sea independiente de cualquier reloj físicamente realizable. Por lo tanto, el ciclo de Krebs es un reloj tan bueno y real como podríamos pedir, o como necesitamos. La relatividad dice que si ves que otra persona pasa por delante de ti a una fracción significativa de $c$ La relación entre el ritmo de envejecimiento de esa persona y el ritmo de los ciclos de Krebs de esa persona será la misma que para ti o para cualquier otra persona, pero que medirás todos los procesos, incluyendo el proceso fundamental, físico/químico del ciclo de Krebs, y cualquier otro estándar concebible por el que puedas medir el tiempo, como más lento de lo que es en tu propio cuerpo . No existe, ni siquiera en principio, ningún medio por el que se pueda discernir cuál es el "ritmo del tiempo" de una persona. Si este efecto es "real" o no, no es una cuestión física.

Volviendo a tu pregunta original, la respuesta, desgraciadamente, es que depende en gran medida de la definición de las palabras que utilices. El ritmo de envejecimiento de cada gemelo en la paradoja, medido en relación con cualquier noción de tiempo significativa medida en relación con él mismo, como el ritmo al que proceden los procesos químicos en sus células, es el mismo. Por otro lado, cada gemelo medirá el ritmo de envejecimiento de su gemelo como más lento que el suyo propio. Ambas afirmaciones son completa y objetivamente ciertas. Sin embargo, cabe señalar que la clásica paradoja de los gemelos se formula en el contexto de la relatividad especial, que no puede explicar el proceso real de que al menos un gemelo se dé la vuelta para volver con su hermano, y que la relatividad especial no puede responder a la pregunta de qué gemelo será mayor cuando se reúnan, y que la relatividad general es necesaria y suficiente para resolver la paradoja.

Answer 3

Tus células siempre envejecen exactamente al ritmo de un segundo por segundo en tu marco inercial de movimiento; en definitiva, se rigen por los mismos procesos físicos que definen los intervalos regulares en un reloj construido como tal. Si el reloj permanece en reposo con respecto al viejo en la canción "El reloj de mi abuelo" siempre marcará el mismo número de veces para que los "noventa años sin dormir" abarquen exactamente el tiempo de vida del anciano, sin importar la trayectoria a través del espacio-tiempo de la pareja. La cuestión es que el tiempo se define por el ritmo de procesos físicos y en nuestro universo observamos que las proporciones de las tasas de estos procesos es la misma siempre que tienen lugar en el mismo marco inercial, ya sean oscilaciones de péndulo, reacciones químicas, intervalos entre los eventos de división celular y apoptosis y los procesos de envejecimiento que estos implican o incluso los procesos neuronales que definen la propia percepción humana; la propia percepción es un físico proceso, y no tiene sentido en física decir que algo es "sólo una percepción". Así que siempre sientes que envejeces al mismo ritmo en relación con lo que ocurre en tu vecindario inmediato en el Mundo.

Al igual que la relación de tasas de cualquier par de procesos físicos es siempre la misma cuando los procesos están en el mismo marco inercial, la misma relación será varían cuando los dos procesos ocurren en diferente, relativamente en movimiento (o, más generalmente, cuando sus marcos inerciales instantáneos difieren); la variación se rige por la transformación de Lorentz y su factor de dilatación del tiempo implícito. Este es el significado fundamental del tiempo en la física, y observamos que no importa si los ritmos son los de las oscilaciones del péndulo, las reacciones químicas o lo que sea. Es el experimental El hecho de que estas relaciones sean independientes de los procesos físicos nos permite tener una noción bien definida del tiempo en nuestro Mundo.

Answer 4

Cuando te muevas rápido, tu envejecimiento se ralentizará - véase el diagrama de Minkowski: Hay 3 líneas mundiales de naves espaciales que viajan en t=10 minutos (tiempo terrestre) 1, 2 y 3 minutos-luz. El tiempo propio τ disminuye de 10 minutos a 9,54 minutos. La relación τ/t disminuye al aumentar la velocidad. Esto significa que cuando se mueve rápido, su envejecimiento se ralentiza.

Pero un momento, sólo hay una pequeña cuestión que resolver: ¡la velocidad es relativa! Eso significa que si la nave espacial afirma que se mueve (según el marco de la Tierra), la Tierra también podría afirmar que se mueve (según el marco de la nave espacial). ¿Quién envejece menos, la Tierra o la nave espacial?

La física ofrece dos soluciones para el arbitraje de este conflicto:

• La primera solución es referirse a un marco de referencia preferido (en particular: coordenadas comoving). El resultado será que, según el marco de referencia preferido, no la Tierra sino la nave espacial se mueve a una velocidad cercana a la de la luz.

• La segunda solución es la que propone la paradoja de los gemelos: un encuentro posterior entre ambos marcos para que ambos gemelos puedan sincronizar sus relojes. Sin embargo, un encuentro implica que al menos uno de los dos fotogramas cese su movimiento lineal, para lograr un viaje de ida y vuelta. En el ejemplo, la nave espacial volverá a la Tierra (es menos probable que la Tierra vuelva a la nave espacial).

Answer 5

Sé que la teoría dice que es el tiempo el que ralentiza

No; esa es una formulación frustrantemente tonta que desgraciadamente se ha difundido en algunas divulgaciones. En cambio, lo que se puede decir con confianza es

1. Para hacer afirmaciones sobre los valores de alguna cantidad (especialmente si son iguales, o desiguales) hay que definir la cantidad considerada; con lo que también se declara cómo medir sus valores, al menos en principio.

Eso se llama especificar la teoría; así que es ciertamente sensato decir que una teoría particular implica un cierto rango de valores de alguna cantidad particular, o alguna relación particular entre valores de cantidades evaluadas en el mismo ensayo. Con respecto a la teoría de la relatividad, y específicamente a su método de medir (comparar) duraciones se puede inferir (por ejemplo):

2. Si dos participantes se alejan el uno del otro, y posteriormente se vuelven a encontrar, entonces la duración de un participante desde la salida hasta el reencuentro no es necesariamente igual a la duración del otro participante desde la salida hasta el reencuentro; la proporción depende de los detalles de los movimientos (separados) de estos participantes (tal y como los describen conjuntamente, en relación con cada uno, los miembros de cualquier sistema de referencia adecuado).

La prescripción del típico montaje de la "paradoja de los gemelos" es tal que la duración de un gemelo desde su partida hasta su reencuentro es diferente de la duración del otro gemelo desde su partida hasta su reencuentro.

A título ilustrativo y orientativo: la duración, desde la salida hasta la reunión, de un gemelo que fue y permaneció como miembro de un sistema inercial concreto durante todo el ensayo (y que, por tanto, podría llamarse el "gemelo que se queda en casa", o el "gemelo asentado") es siempre mayor que la duración, desde la salida hasta la reunión, de un gemelo que no lo fue (pero que "cambió entre sistemas inerciales", o que no fue miembro de un sistema inercial en ningún instante, y que, por tanto, podría llamarse el "gemelo itinerante"). La relación
"duración del vagabundo / duración del colono"
es, por supuesto, (a trozos, esquemáticamente) representado por el número $\sqrt{1 - (v/c)^2}$ donde la velocidad $v$ se determina del gemelo itinerante con respecto a los miembros del marco inercial al que pertenecía el gemelo asentado en todo momento.

pero lo que yo entiendo (puede estar equivocado) es que el tiempo es sólo una percepción humana, no es una entidad física real.

Bueno, la palabra " tiempo " se utiliza en varios sentidos más o menos definidos. Para ser inequívoco, la cantidad física geométrico-cinemática correspondiente cuya medición se define en el contexto de la teoría de la relatividad puede llamarse "duración". (Los que aparentemente son menos cuidadosos en la elección de la terminología podrían llamar a esta cantidad en su lugar "tiempo propio").

¿Podemos deducir de la Paradoja de los Gemelos que el proceso de envejecimiento (descomposición celular u otros procesos biológicos) depende del movimiento?

La "paradoja de los gemelos" ilustra la necesidad y la posibilidad de comparar duraciones en primer lugar. Así obtenemos los medios determinar y comparar las tarifas de varios procesos; como comparar la tasa del proceso de envejecimiento de un gemelo con la tasa del proceso de envejecimiento del otro gemelo. (Quizás, especificar que los participantes son gemelos viene con la expectativa de que sus tasas separadas de envejecimiento deberían permanecer iguales, mientras estaban separados el uno del otro. Pero, por supuesto, esto no exime de medir/comparar realmente sus índices de envejecimiento, ensayo a ensayo; y esto requiere una declaración de cómo medir, como se ha indicado anteriormente).