Основната цел на мисловния експеримент, наречен "Парадокс на близнаците", беше да опровергае логиката и валидността на специалната теория на относителността (SRT). Струва си да се спомене веднага, че всъщност не става дума за никакъв парадокс и самата дума се появява в тази тема, тъй като същността на мисловния експеримент първоначално е била неразбрана.
Основна идея на SRT
Парадоксът на теорията на относителността (парадоксът на близнаците) гласи, че "неподвижният" наблюдател възприема процесите на движещи се обекти като забавящи се. В съответствие със същата теория инерционните референтни системи (кадри, в които движението на свободните тела се извършва праволинейно и равномерно или са в покой) са равни една спрямо друга.
Парадоксът на близнаците накратко
Взимайки предвид втория постулат, съществува предположение за несъответствието на специалната теория на относителността. Позволявамтози проблем ясно, беше предложено да се разгледа ситуацията с двама братя близнаци. Единият (условно - пътник) е изпратен на космически полет, а другият (домашен човек) е оставен на планетата Земя.
Формулирането на парадокса на близнаците при такива условия обикновено звучи така: според престоя вкъщи времето на часовника, което има пътникът, се движи по-бавно, което означава, че когато се върне, неговото (часовникът на пътника ще изостане. Пътешественикът, напротив, вижда, че Земята се движи спрямо него (на който има домашен човек с неговия часовник) и от негова гледна точка брат му е този, който ще прекара времето по-бавно.
Всъщност и двамата братя са в равни условия, което означава, че когато са заедно, часовете на техните часовници ще бъдат еднакви. В същото време, според теорията на относителността, часовникът на брата-пътешественик трябва да изостане. Такова нарушение на привидната симетрия се счита за непоследователност в разпоредбите на теорията.
Парадокс на близнаците от теорията на относителността на Айнщайн
През 1905 г. Алберт Айнщайн извежда теорема, която гласи, че когато двойка часовници, синхронизирани един с друг, е в точка А, един от тях може да се движи по извита затворена траектория с постоянна скорост, докато отново достигне точката A (и това ще отнеме например t секунди), но в момента на пристигането те ще покажат по-малко време от часовника, който остана неподвижен.
Шест години по-късно, парадоксалният статус на тази теорияпредоставена от Пол Ланжевен. „Увита“във визуална история, тя скоро придоби популярност дори сред хора, далеч от науката. Според самия Ланжевен несъответствията в теорията се обясняват с факта, че връщайки се на Земята, пътникът се движи с ускорена скорост.
Две години по-късно Макс фон Лауе представи версия, че не моментите на ускорение на обект са важни, а фактът, че той попада в различна инерциална референтна система, когато е на Земята.
Накрая, през 1918 г., Айнщайн успява сам да обясни парадокса на двама близнаци чрез влиянието на гравитационното поле върху хода на времето.
Обяснение на парадокса
Парадоксът на близнаците има доста просто обяснение: първоначалното допускане за равенство между двете референтни рамки е погрешно. Пътешественикът не е останал в инерционната референтна система през цялото време (същото важи и за историята с часовника).
В резултат на това мнозина смятат, че специалната теория на относителността не може да се използва за правилно формулиране на парадокса на близнаците, в противен случай ще се получат несъвместими прогнози.
Всичко беше разрешено, когато беше създадена общата теория на относителността. Тя даде точното решение на проблема и успя да потвърди, че от чифт синхронизирани часовници именно тези в движение ще изостанат. Така първоначално парадоксалната задача получи статут на обикновена.
Спорни въпроси
Има предложения, коитомоментът на ускорение е достатъчно значителен, за да промени скоростта на часовника. Но в хода на множество експериментални тестове беше доказано, че под въздействието на ускорението движението на времето не се ускорява или забавя.
В резултат на това отсечката от траекторията, по която се е ускорил единият от братята, демонстрира само известна асиметрия, която възниква между пътника и домашното тяло.
Но това твърдение не може да обясни защо времето се забавя за движещ се обект, а не за нещо, което остава в покой.
Тест с практика
Формулите и теоремите на парадокса на близнаците описват точно, но е доста трудно за некомпетентен човек. За тези, които са по-склонни да се доверят на практиката, а не на теоретичните изчисления, бяха проведени множество експерименти, чиято цел беше да докажат или опровергаят теорията на относителността.
В един случай е използван атомен часовник. Те са много точни и за минимална десинхронизация ще им трябват повече от един милион години. Поставени в пътнически самолет, те обиколиха Земята няколко пъти и след това показаха доста забележимо изоставане от онези часовници, които не летяха никъде. И това въпреки факта, че скоростта на движение на първата проба на часовника беше далеч от светлината.
Друг пример: животът на мюоните (тежките електрони) е по-дълъг. Тези елементарни частици са няколкостотин пъти по-тежки от обикновените частици, имат отрицателен заряд и се образуват в горния слой на земната атмосфера порадидействието на космическите лъчи. Скоростта на тяхното движение към Земята е само малко по-ниска от скоростта на светлината. С истинската си продължителност на живота (2 микросекунди), те биха се разложили, преди да докоснат повърхността на планетата. Но в процеса на летене те живеят 15 пъти по-дълго (30 микросекунди) и все още достигат целта.
Физическа причина за парадокс и обмен на сигнал
Физика обяснява парадокса на близнаците на по-достъпен език. По време на полета и двамата братя близнаци са извън обхват един за друг и на практика не могат да се уверят, че часовниците им се движат в синхрон. Възможно е да се определи колко точно се забавя движението на часовниците на пътника, ако анализираме сигналите, които те ще изпращат един на друг. Това са конвенционални сигнали за "точно време", изразени като светлинни импулси или видео предаване на циферблата на часовника.
Трябва да разберете, че сигналът няма да се предава в сегашно време, а вече в миналото, тъй като сигналът се разпространява с определена скорост и отнема определено време, за да премине от източника към приемника.
Възможно е правилно да се оцени резултатът от диалога на сигнала само като се вземе предвид ефектът на Доплер: когато източникът се отдалечи от приемника, честотата на сигнала ще намалее, а когато се приближи, ще се увеличи.
Формулиране на обяснение в парадоксални ситуации
Има два основни начина за обяснение на парадоксите на тези истории близнаци:
- Внимателноразглеждане на съществуващи логически конструкции за противоречия и идентифициране на логически грешки във веригата на разсъжденията.
- Извършване на подробни изчисления за оценка на факта на забавяне на времето от гледна точка на всеки от братята.
Първата група включва изчислителни изрази, базирани на SRT и вписани в инерциални референтни системи. Тук се приема, че моментите, свързани с ускорението на движението, са толкова малки по отношение на общата дължина на полета, че могат да бъдат пренебрегнати. В някои случаи те могат да въведат трета инерциална референтна система, която се движи в обратна посока спрямо пътника и се използва за предаване на данни от часовника му към Земята.
Втората група включва изчисления, изградени, като се вземе предвид фактът, че моментите на ускорено движение все още са налице. Самата тази група също е разделена на две подгрупи: едната използва теорията на гравитацията (GR), а другата не. Ако се включва обща теория на относителността, тогава се приема, че уравнението съдържа гравитационното поле, което съответства на ускорението на системата, и се взема предвид промяната в скоростта на времето.
Заключение
Всички дискусии, свързани с въображаемия парадокс, се дължат само на привидна логическа грешка. Без значение как са формулирани условията на проблема, не е възможно да се гарантира, че братята ще се окажат в напълно симетрични условия. Важно е да се има предвид, че времето се забавя именно при движещи се часовници, които трябваше да преминат през промяна в референтните рамки, т.к.едновременността на събитията е относителна.
Има два начина да се изчисли колко времето се е забавило от гледна точка на всеки от братята: като се използват най-простите действия в рамките на специалната теория на относителността или се фокусира върху неинерциални референтни системи. Резултатите от двете вериги на изчисление могат да бъдат взаимно последователни и еднакво да служат за потвърждение, че времето минава по-бавно при движещ се часовник.
На тази основа може да се приеме, че когато мисловният експеримент се пренесе в реалността, този, който заема мястото на домашен човек, наистина ще остарее по-бързо от пътника.
