Парадокс близнюків (уявний експеримент) пояснення
Основним призначенням уявного експерименту під назвою «Парадокс близнюків» було спростування логічності та обґрунтованості спеціальної теорії відносності (СТО). Варто відразу обмовитися, що ні про яке парадоксі насправді не йдеться, а саме слово фігурує в цій темі тому, що суть уявного експерименту була спочатку неправильно сприйнята.
Основна ідея СТО
Парадокс теорії відносності (парадокс близнят) говорить, що «нерухомий» спостерігач сприймає процеси рухаються як сповільнюються. Відповідно до тієї ж теорією інерціальні системи відліку (системи, в яких рух вільних тіл відбувається прямолінійно і рівномірно або вони знаходяться в стані спокою) рівноправні відносно один одного.
Парадокс близнюків: коротко
З урахуванням другого постулату виникає припущення про суперечливість спеціальної теорії відносності. Щоб вирішити цю проблему наочно, було запропоновано розглянути ситуацію з двома братами-близнюками. Одного (умовно - мандрівника) відправляють в космічний політ, а іншого (домосіда) залишають на планеті Земля.
Формулювання парадоксу близнюків при таких умовах зазвичай звучить так: за оцінкою домосіда, час на тих часах, які знаходяться у мандрівника, рухається повільніше, а значить, коли він повернеться, його (мандрівника) годинник будуть відставати. Мандрівник, навпаки, бачить, що відносно нього рухається Земля (на якій знаходиться домосід зі своїм годинником), і, з його точки зору, саме у його брата часом буде йти повільніше.
Насправді обидва брата знаходяться в рівних умовах, а значить, коли вони опиняться разом, то на їх годиннику час буде однаковим. Одночасно з теорії відносності відставати повинні саме годинник брата-мандрівника. Таке порушення очевидною симетричності було розглянуто як неузгодженість положень теорії.
Парадокс близнюків з теорії відносності Ейнштейна
У 1905 році Альберт Ейнштейн вивів теорему, в якій мовиться, що при знаходженні в точці А пари синхронізованих між собою годин можна переміщати одні з них по криволінійній замкнутої траєкторії з постійною швидкістю до тих пір, поки вони знову не досягнуть точки А (і на це буде витрачено, наприклад, t секунд), але в момент прибуття вони покажуть менший час, ніж ті години, що залишалися без листя.
Шість років по тому статус парадоксу цієї теорії надав Поль Ланжевен. «Загорнута» в наочну історію, вона швидко набула популярності навіть серед людей, далеких від науки. На думку самого Ланжевена, нестиковки в теорії пояснювалися тим, що, повертаючись на Землю, мандрівник рухався прискорено.
Ще через два роки Максом фон Лауе була висунута версія про те, що значимі зовсім не моменти прискорення об'єкта, а той факт, що він потрапляє в іншу інерційну систему відліку, коли виявляється на Землі.
Нарешті в 1918 році Ейнштейн зміг сам пояснити парадокс двох близнюків через вплив поля гравітації на плин часу.
пояснення парадоксу
Парадокс близнюків пояснення має досить просте: початкове припущення про рівноправність між двома системами відліку невірно. Мандрівник перебував в інерціальній системі відліку не весь час (це ж стосується і історії з годинником).
Як наслідок, багато хто вважав, що спеціальну теорію відносності не можна використовувати для правильного формулювання парадоксу близнюків, інакше виходять несумісні один з одним передбачення.
Все вирішилося, коли була створена загальна теорія відносності. Вона дала точне рішення для наявної завдання і змогла підтвердити, що з пари синхронізованих годин відставати будуть саме ті, які знаходяться в русі. Так спочатку парадоксальна завдання отримала статус рядовий.
спірні моменти
Існують припущення про те, що момент прискорення досить значущий для зміни швидкості ходу годинника. Але в ході численних експериментальних перевірок було доведено, що під дією прискорення рух пір не прискорюється і не сповільнюється.
В результаті відрізок траєкторії, на якому один з братів прискорювався, демонструє тільки деяку асиметричність, що виникає між мандрівником і сиднем.
Але дане твердження не може пояснити, чому час сповільнюється саме у рухомого об'єкту, а не у того, що залишається в спокої.
Перевірка практикою
Парадокс близнюків формули і теореми описують точно, але це для людини некомпетентного досить складно. Для тих, хто більше схильний довіряти практиці, а не теоретичним викладенням, були проведені численні експерименти, метою яких було довести або спростувати теорію відносності.
В одному з випадків використовувалися атомний годинник. Вони відрізняються надточних, і для мінімальної рассинхронизации їм буде потрібно не один мільйон років. Вміщені в пасажирський літак, вони кілька разів облетіли Землю і після показали цілком помітне відставання від тих годин, які нікуди не літали. І це при тому, що швидкість пересування у першого зразка годин була далеко не світлова.
Інший приклад: більш тривала життя мюонів (важких електронів). Ці елементарні частинки в кілька сотень разів важче звичайних, мають негативним зарядом і формуються в верхньому шарі земної атмосфери завдяки дії космічних променів. Швидкість їх руху до Землі лише на трохи поступається швидкості світла. При їх істинної тривалості життя (в 2 мікросекунди) вони розпадалися б раніше, ніж торкнуться поверхні планети. Але в процесі польоту вони живуть в 15 разів довше (30 мікросекунд) і все-таки досягають мети.
Фізична причина парадоксу і обмін сигналами
Потрібно розуміти, що передаватися сигнал буде не в теперішньому часі, а вже в минулому, оскільки поширення сигналу відбувається з певною швидкістю і потрібен певний час, щоб пройти від джерела до приймача.
Правильно оцінювати результат сигнального діалогу можна тільки з урахуванням ефекту Доплера: при видаленні джерела від приймача частота сигналу зменшиться, а при наближенні - збільшиться.
Формулювання пояснення в парадоксальних ситуаціях
Для пояснення парадоксів подібних історій з близнюками можна застосувати два основні способи:
- Уважний розгляд наявних логічних побудов на предмет протиріч і виявлення логічних помилок в ланцюзі міркувань.
- Здійснення детальних обчислень з метою оцінки факту гальмування часу з точки зору кожного з братів.
В першу групу потрапляють обчислювальні вирази, засновані на СТО і вписані в інерціальні системи відліку. Тут мається на увазі, що моменти, пов'язані з прискоренням руху, настільки малі по відношенню до загальної довжини польоту, що ними можна знехтувати. В окремих випадках можуть вводити третю інерційну систему відліку, яка просувається по зустрічному напрямку по відношенню до мандрівника і використовується для передачі даних з його годин на Землю.
До другої групи належать обчислення, побудовані з урахуванням того, що моменти прискореного руху все ж присутні. Сама ця група також поділяється на дві підгрупи: в одній застосовується гравітаційна теорія (ЗТВ), а в іншій - ні. Якщо ОТО задіяна, то мається на увазі, що в рівнянні фігурує поле гравітації, яке відповідає прискоренню системи, і береться до уваги зміна швидкості течії часу.
висновок
Всі обговорення, пов'язані з уявним парадоксом, обумовлені лише уявною логічною помилкою. Як би не були сформульовані умови задачі, домогтися того, щоб брати опинилися в повністю симетричних умовах, неможливо. Важливо врахувати, що час сповільнюється саме на рухомих годиннику, яким довелося пройти через зміну систем відліку, тому що одночасність подій відносна.
Розрахувати, наскільки сповільнилося час з точки зору кожного з братів, можна двома способами: використовуючи найпростіші дії в рамках спеціальної теорії відносності або орієнтуючись на неінерційні системи відліку. Результати обох ланцюгів обчислень можуть бути взаємно погоджені і в рівній мірі використовуються для перевірки того, що на рухомих годиннику час йде повільніше.
На цій підставі можна припускати, що при перенесенні уявного експерименту в реальність той, хто займе місце домосіда, дійсно постаріє швидше, ніж мандрівник.
