Pagrindinis minties eksperimento, pavadinto „Dvynių paradoksu“, tikslas buvo paneigti specialiosios reliatyvumo teorijos (SRT) logiką ir pagrįstumą. Iš karto verta paminėti, kad iš tikrųjų nėra jokio paradokso, o pats žodis šioje temoje atsiranda todėl, kad minties eksperimento esmė iš pradžių buvo neteisingai suprasta.
Pagrindinė SRT idėja
Reliatyvumo teorijos paradoksas (dvynių paradoksas) teigia, kad „stacionarus“stebėtojas judančių objektų procesus suvokia kaip lėtėjančius. Remiantis ta pačia teorija, inercinės atskaitos sistemos (kadrai, kuriuose laisvieji kūnai juda tiesia linija ir tolygiai arba yra ramybės būsenoje) yra vienodi vienas kito atžvilgiu.
Dvynių paradoksas trumpai
Atsižvelgiant į antrąjį postulatą, yra prielaida apie specialiosios reliatyvumo teorijos nenuoseklumą. Leistišią problemą aiškiai, buvo pasiūlyta apsvarstyti situaciją su dviem broliais dvyniais. Vienas (sąlygiškai – keliautojas) išsiunčiamas į skrydį į kosmosą, o kitas (naminis žmogus) paliekamas Žemės planetoje.
Dvynių paradokso formuluotė tokiomis sąlygomis paprastai skamba taip: pagal buvimą namuose keliautojo laikas pagal laikrodį juda lėčiau, o tai reiškia, kad jam grįžus, jo (keliautojo) laikrodis atsiliks. Keliautojas, priešingai, mato, kad Žemė juda jo atžvilgiu (ant kurios stovi namų žmogus su laikrodžiu), ir, jo požiūriu, lėčiau laiką leis jo brolis.
Tiesą sakant, abiejų brolių sąlygos yra vienodos, o tai reiškia, kad jiems būnant kartu, jų laikrodžių laikas bus toks pat. Tuo pačiu, pagal reliatyvumo teoriją, būtent brolio keliautojo laikrodis turėtų atsilikti. Toks tariamos simetrijos pažeidimas buvo vertinamas kaip teorijos nuostatų nenuoseklumas.
Dvynių paradoksas iš Einšteino reliatyvumo teorijos
1905 m. Albertas Einšteinas išvedė teoremą, teigiančią, kad kai viena su kita sinchronizuota laikrodžių pora yra taške A, vienas iš jų gali judėti lenkta uždara trajektorija pastoviu greičiu, kol vėl pasieks tašką. A (ir tai užtruks, pavyzdžiui, t sekundžių), tačiau atvykimo metu jie rodys mažiau laiko nei laikrodis, kuris liko nejudantis.
Po šešerių metų šios teorijos paradoksas statusaspateikė Paulas Langevinas. „Įvyniotas“į vizualią istoriją, greitai išpopuliarėjo net tarp mokslo nutolusių žmonių. Anot paties Langevino, teorijos neatitikimai buvo paaiškinti tuo, kad grįžęs į Žemę keliautojas judėjo pagreitintu greičiu.
Po dvejų metų Maxas von Laue pateikė versiją, kad reikšmingi ne objekto pagreičio momentai, o tai, kad jis patenka į kitą inercinę atskaitos sistemą, kai jis yra Žemėje.
Galiausiai, 1918 m., Einšteinas sugebėjo paaiškinti dviejų dvynių paradoksą per gravitacinio lauko įtaką laikui bėgant.
Paradokso paaiškinimas
Dvynių paradoksas turi gana paprastą paaiškinimą: pradinė dviejų atskaitos sistemų lygybės prielaida yra klaidinga. Keliautojas visą laiką neišsilaikė inercinėje atskaitos sistemoje (tas pats pasakytina ir apie istoriją su laikrodžiu).
Dėl to daugelis manė, kad specialioji reliatyvumo teorija negali būti panaudota norint teisingai suformuluoti dvynių paradoksą, kitaip atsiras nesuderinamos prognozės.
Viskas buvo išspręsta, kai buvo sukurta bendroji reliatyvumo teorija. Ji pateikė tikslų problemos sprendimą ir galėjo patvirtinti, kad iš poros sinchronizuotų laikrodžių atsiliks judantys laikrodžiai. Taigi iš pradžių paradoksali užduotis gavo įprastos statusą.
Kontroversiškos problemos
Yra pasiūlymų, kadpagreičio momentas yra pakankamai reikšmingas, kad pakeistų laikrodžio greitį. Tačiau atliekant daugybę eksperimentinių bandymų buvo įrodyta, kad veikiant pagreičiui, laiko judėjimas nei greitėja, nei lėtėja.
Nr.
Tačiau šis teiginys negali paaiškinti, kodėl laikas sulėtėja judančiam objektui, o ne tam, kas lieka ramybėje.
Išbandyti praktiškai
Dvynių paradoksų formulės ir teoremos tiksliai apibūdina, bet nekompetentingam žmogui tai gana sunku. Tiems, kurie labiau linkę pasitikėti praktika, o ne teoriniais skaičiavimais, buvo atlikta daugybė eksperimentų, kurių tikslas buvo įrodyti arba paneigti reliatyvumo teoriją.
Vienu atveju buvo naudojamas atominis laikrodis. Jie yra labai tikslūs ir minimaliai desinchronizacijai jiems prireiks daugiau nei vieno milijono metų. Pasodinti į keleivinį lėktuvą, jie kelis kartus apskriejo Žemę ir tada rodė gana pastebimą atsilikimą nuo tų laikrodžių, kurie niekur neskrido. Ir tai nepaisant to, kad pirmojo laikrodžio pavyzdžio judėjimo greitis buvo toli nuo šviesos.
Kitas pavyzdys: miuonų (sunkiųjų elektronų) gyvenimas ilgesnis. Šios elementariosios dalelės yra kelis šimtus kartų sunkesnės už paprastas daleles, turi neigiamą krūvį ir susidaro viršutiniame žemės atmosferos sluoksnyje dėlkosminių spindulių veikimas. Jų judėjimo link Žemės greitis tik šiek tiek mažesnis už šviesos greitį. Turėdami tikrąją savo gyvenimo trukmę (2 mikrosekundės), jie būtų suirę prieš prisilietę prie planetos paviršiaus. Tačiau skrisdami jie gyvena 15 kartų ilgiau (30 mikrosekundžių) ir vis tiek pasiekia tikslą.
Fizinė paradokso ir signalo pasikeitimo priežastis
Fizika dvynių paradoksą paaiškina labiau prieinama kalba. Skrydžio metu abu broliai dvyniai yra už vienas kito diapazono ribų ir praktiškai negali įsitikinti, kad jų laikrodžiai juda sinchroniškai. Tiksliai nustatyti, kiek sulėtėja keliautojo laikrodžių judėjimas, galima, jei analizuosime signalus, kuriuos jie siųs vienas kitam. Tai įprastiniai „tikslaus laiko“signalai, išreikšti šviesos impulsais arba laikrodžio ciferblato vaizdo perdavimu.
Reikia suprasti, kad signalas bus perduodamas ne esamuoju laiku, o jau praeityje, nes signalas sklinda tam tikru greičiu ir tam reikia tam tikro laiko pereiti nuo š altinio iki imtuvo.
Teisingai įvertinti signalo dialogo rezultatą galima tik atsižvelgiant į Doplerio efektą: š altiniui tolstant nuo imtuvo signalo dažnis mažėja, o priartėjus – padidės.
Paaiškinimo formulavimas paradoksaliose situacijose
Yra du pagrindiniai būdai paaiškinti šių dvynių istorijų paradoksus:
- Dėmesingasesamų loginių konstrukcijų prieštaravimų svarstymas ir loginių klaidų identifikavimas samprotavimo grandinėje.
- Atliekami išsamūs skaičiavimai, siekiant įvertinti laiko lėtėjimo faktą kiekvieno iš brolių požiūriu.
Pirmoji grupė apima skaičiavimo išraiškas, pagrįstas SRT ir įrašytas į inercines atskaitos sistemas. Čia daroma prielaida, kad momentai, susiję su judėjimo pagreičiu, yra tokie maži, palyginti su visu skrydžio ilgiu, kad jų galima nepaisyti. Kai kuriais atvejais jie gali įvesti trečią inercinę atskaitos sistemą, kuri juda priešinga kryptimi keliautojo atžvilgiu ir naudojama duomenims iš jo laikrodžio perduoti į Žemę.
Antrai grupei priklauso skaičiavimai, atlikti atsižvelgiant į tai, kad vis dar yra pagreitinto judėjimo momentų. Pati ši grupė taip pat skirstoma į du pogrupius: vienas naudoja gravitacinę teoriją (GR), o kitas ne. Jei kalbama apie bendrąjį reliatyvumą, tada daroma prielaida, kad lygtyje yra gravitacinis laukas, atitinkantis sistemos pagreitį, ir atsižvelgiama į laiko greičio pokytį.
Išvada
Visos diskusijos, susijusios su įsivaizduojamu paradoksu, kyla tik dėl tariamos loginės klaidos. Kad ir kaip būtų suformuluotos problemos sąlygos, neįmanoma užtikrinti, kad broliai atsidurtų visiškai simetriškose sąlygose. Svarbu atsižvelgti į tai, kad laikas sulėtėja būtent judant laikrodžiams, kurių atskaitos sistemos turėjo keistis, nesįvykių vienalaikiškumas yra santykinis.
Yra du būdai, kaip apskaičiuoti, kiek laikas sulėtėjo kiekvieno iš brolių požiūriu: naudojant paprasčiausius veiksmus pagal specialiąją reliatyvumo teoriją arba sutelkiant dėmesį į neinercines atskaitos sistemas.. Abiejų skaičiavimo grandinių rezultatai gali būti tarpusavyje suderinti ir taip pat patvirtinti, kad judančiu laikrodžiu laikas teka lėčiau.
Šiuo pagrindu galima daryti prielaidą, kad minties eksperimentą perkėlus į realybę, tas, kuris užims namų šeimininko vietą, tikrai pasens greičiau nei keliautojas.
