براساس نظریه نسبیت خاص، زمان در ساعت در حال حرکت کندتر از حد معمول می‌گذرد که به این پدیده اتساع زمان گفته می‌شود. اینشتین این مفهوم را برای موضوعی بنیادی‌تر معرفی کرد: «جهانی شدن قوانین فیزیک.» اگر می‌خواهیم قوانین فیزیک صرف‌نظر از چارچوب مرجع، یکسان باشند، باید زاویه‌های دید ناظرها را با سرعت‌های مختلفی تغییر دهیم.
براساس این نظریه ساعتی که به یک شی متحرک وصل شده است، 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.
در همین رابطه بخوانید: آیا سفر با سرعتی بیش از سرعت نور در یک فضاپیما امکان‌پذیر است؟
به‌سختی می‌توان این اثر را در مقیاس‌های انسانی اندازه‌گیری کرد زیرا تنها با نزدیک شدن به سرعت نور تا حد در خور توجهی ظاهر می‌شود؛ با این حال باز هم قابل اندازه‌گیری است. در سال ۱۹۷۱ دو فیزیکدان به نام‌های ژوزف هافل (Joseph Hafele) و ریچارد کیتینگ (Richard Keating) ساعت‌های اتمی را روی هواپیمای جت قرار دادند و هواپیما را به پرواز درآمد.
وقتی ساعت‌ها به زمین بازگشتند، هماهنگی آن‌ها با ساعت زمینی از بین رفته بود و این نتیجه دقیقا مشابه اثری بود که در نظریه نسبیت خاص پیش‌بینی شده است.
تناقض دوقلوها
برای درک بهتر مسئله، دوقلوهای فرضی به نام‌های آلیس (Alice) و باب (Bob) 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 دور کهکشان برود، مسئله 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. ناظرهای مختلف در جهان براساس سرعت اولیه خود، محاسبات مختلفی از جریان زمانی دارند؛ درنتیجه یک تناقض واقعی وجود دارد!
باب در حین سفر هیچ تفاوتی را احساس نمی‌کند. برای مثال احساس نمی‌کند که به نوعی آهسته‌تر حرکت می‌کند و همه‌چیز کاملا عادی به نظر می‌رسد! به قدری عادی که تا وقتی شتاب نگرفته، احساس نمی‌کند در حال حرکت است!
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. در نتیجه 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 دقیقا همین مسئله را درباره باب می‌گوید چراکه تصور می‌کند خود او ثابت می‌ماند و باب در حال حرکت است؛ ولی چه کسی درست می‌گوید، آلیس یا باب؟ این یک تناقض واقعی است!
یک زاویه دید مشخص
می‌توان تناقض 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 درباره 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.
در همین رابطه بخوانید: کرم چاله به زبان ساده
عمل بازگشت به خانه تاثیر زیادی بر محاسبه زمانی باب خواهد گذاشت. باب در واقع کاری را انجام می‌دهد که او را از چارچوب خاص مرجعش دور می‌کند و می‌تواند این کار را نه با بررسی جهان بیرون بلکه براساس مشاهده‌های داخل فضاپیما انجام دهد. این مشاهده‌ها برای مثال شامل لرزش‌های موتور و به جلو رفتن بدن او نسبت به کف فضاپیما در حین کاهش سرعت هستند.
به دلیل این عدم تقارن، زاویه دید باب دیگر مانند زاویه آلیس معتبر نیست و 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 چگونه درباره اعداد به توافق می‌رسند.