Głównym celem eksperymentu myślowego zwanego „Twin Paradox” było obalenie logiki i słuszności specjalnej teorii względności (SRT). Warto od razu wspomnieć, że właściwie nie ma mowy o żadnym paradoksie, a samo słowo pojawia się w tym temacie, ponieważ istota eksperymentu myślowego została początkowo źle zrozumiana.
Główna idea SRT
Paradoks teorii względności (paradoks bliźniaczy) mówi, że „stacjonarny” obserwator postrzega procesy poruszających się obiektów jako spowolnienie. Zgodnie z tą samą teorią, układy inercjalne (układy, w których ruch ciał swobodnych odbywa się po linii prostej i jednostajnie lub są w spoczynku) są względem siebie równe.
Paradoks bliźniaków w skrócie
Biorąc pod uwagę drugi postulat, istnieje założenie o niespójności szczególnej teorii względności. Zezwolićten problem wyraźnie zaproponowano rozważenie sytuacji z dwoma braćmi bliźniakami. Jeden (warunkowo - podróżnik) zostaje wysłany w lot kosmiczny, a drugi (osoba domowa) zostaje na planecie Ziemia.
Sformułowanie paradoksu bliźniąt w takich warunkach zwykle brzmi tak: zgodnie z pobytem w domu czas na zegarze, który podróżny ma, przesuwa się wolniej, co oznacza, że kiedy wraca, jego (zegar podróżnika pozostanie w tyle. Podróżnik natomiast widzi, że Ziemia porusza się względem niego (na której znajduje się domownik z jego zegarkiem) iz jego punktu widzenia to jego brat będzie wolniej spędzał czas.
W rzeczywistości obaj bracia są w równych warunkach, co oznacza, że gdy są razem, czas na ich zegarach będzie taki sam. Jednocześnie, zgodnie z teorią względności, to zegarek brata-podróżnika powinien zostać w tyle. Takie naruszenie pozornej symetrii zostało uznane za niespójność zapisów teorii.
Twin paradoks z teorii względności Einsteina
W 1905 roku Albert Einstein wydedukował twierdzenie, które mówi, że gdy para zegarów zsynchronizowanych ze sobą znajduje się w punkcie A, jeden z nich może poruszać się po zakrzywionej trajektorii zamkniętej ze stałą prędkością, aż ponownie osiągną ten punkt A (a zajmie to np. t sekund), ale w momencie przybycia pokażą mniej czasu niż zegar, który pozostał w bezruchu.
Sześć lat później paradoksalny status tej teoriidostarczone przez Paula Langevina. „Zawinięty” w wizualną opowieść, szybko zyskał popularność nawet wśród ludzi z dala od nauki. Według samego Langevina nieścisłości w teorii tłumaczono tym, że wracając na Ziemię podróżnik poruszał się w przyspieszonym tempie.
Dwa lata później Max von Laue przedstawił wersję, w której to nie momenty przyspieszenia obiektu są znaczące, ale fakt, że znajduje się on na Ziemi w innym bezwładnościowym układzie odniesienia.
W końcu, w 1918 roku, Einstein był w stanie sam wyjaśnić paradoks dwóch bliźniaków poprzez wpływ pola grawitacyjnego na upływ czasu.
Wyjaśnienie paradoksu
Paradoks bliźniaków ma dość proste wyjaśnienie: początkowe założenie równości między dwoma układami odniesienia jest błędne. Podróżnik nie pozostawał cały czas w inercyjnym układzie odniesienia (to samo dotyczy opowieści z zegarem).
W rezultacie wielu uważało, że szczególna teoria względności nie może być wykorzystana do prawidłowego sformułowania paradoksu bliźniaków, w przeciwnym razie wynikną z tego niezgodne przewidywania.
Wszystko zostało rozwiązane, gdy powstała ogólna teoria względności. Podała dokładne rozwiązanie problemu i była w stanie potwierdzić, że z pary zsynchronizowanych zegarów to te w ruchu pozostaną w tyle. Tak więc początkowo paradoksalne zadanie uzyskało status zwykłego.
Kontrowersyjne kwestie
Są sugestie, któremoment przyspieszenia jest na tyle znaczący, że zmienia prędkość zegara. Jednak w trakcie licznych testów eksperymentalnych udowodniono, że pod wpływem przyspieszenia ruch czasu nie przyspiesza ani nie zwalnia.
W rezultacie odcinek trajektorii, na którym jeden z braci przyspieszył, wykazuje tylko pewną asymetrię występującą między podróżującym a domownikiem.
Ale to stwierdzenie nie może wyjaśnić, dlaczego czas zwalnia dla poruszającego się obiektu, a nie dla czegoś, co pozostaje w spoczynku.
Test praktyczny
Dwóch paradoksów formuły i twierdzenia opisują dokładnie, ale jest to dość trudne dla niekompetentnej osoby. Dla tych, którzy są bardziej skłonni zaufać praktyce niż teoretycznym obliczeniom, przeprowadzono liczne eksperymenty, których celem było udowodnienie lub obalenie teorii względności.
W jednym przypadku użyto zegara atomowego. Są bardzo dokładne, a na minimalną desynchronizację będą potrzebowały ponad miliona lat. Umieszczone w samolocie pasażerskim kilkakrotnie okrążyły Ziemię, a następnie wykazywały dość zauważalne opóźnienie w stosunku do zegarków, które nigdzie nie latały. I to pomimo faktu, że prędkość ruchu pierwszej próbki zegara była daleka od światła.
Inny przykład: żywotność mionów (ciężkich elektronów) jest dłuższa. Te cząstki elementarne są kilkaset razy cięższe od zwykłych cząstek, mają ładunek ujemny i powstają w górnej warstwie atmosfery ziemskiej na skutekdziałanie promieni kosmicznych. Szybkość ich ruchu w kierunku Ziemi jest tylko nieznacznie gorsza od prędkości światła. Przy ich prawdziwej długości życia (2 mikrosekundy) rozpadłyby się, zanim dotknęły powierzchni planety. Ale w trakcie lotu żyją 15 razy dłużej (30 mikrosekund) i nadal osiągają cel.
Fizyczna przyczyna paradoksu i wymiany sygnałów
Fizyka wyjaśnia paradoks bliźniaków w bardziej przystępnym języku. Podczas lotu obaj bracia bliźniacy są dla siebie poza zasięgiem i nie mogą praktycznie upewnić się, że ich zegary poruszają się zsynchronizowane. Możliwe jest dokładne określenie, jak bardzo ruch zegarów podróżnika zwalnia, jeśli przeanalizujemy sygnały, które będą do siebie wysyłać. Są to konwencjonalne sygnały „dokładnego czasu”, wyrażone jako impulsy świetlne lub transmisja wideo na tarczy zegara.
Musisz zrozumieć, że sygnał nie będzie nadawany w czasie teraźniejszym, ale już w przeszłości, ponieważ sygnał rozchodzi się z określoną prędkością, a przejście od źródła do odbiornika zajmuje pewien czas.
Możliwa jest prawidłowa ocena wyniku dialogu sygnału, biorąc pod uwagę tylko efekt Dopplera: kiedy źródło oddala się od odbiornika, częstotliwość sygnału spada, a po zbliżeniu się zwiększa.
Formułowanie wyjaśnienia w paradoksalnych sytuacjach
Istnieją dwa główne sposoby wyjaśnienia paradoksów tych bliźniaczych historii:
- Uważnyrozważenie istniejących konstrukcji logicznych pod kątem sprzeczności i identyfikacja błędów logicznych w łańcuchu rozumowania.
- Wykonywanie szczegółowych obliczeń w celu oceny faktu zwalniania czasu z punktu widzenia każdego z braci.
Pierwsza grupa obejmuje wyrażenia obliczeniowe oparte na SRT i wpisane w inercyjne układy odniesienia. Zakłada się tutaj, że momenty związane z przyspieszeniem ruchu są na tyle małe w stosunku do całkowitej długości lotu, że można je pominąć. W niektórych przypadkach mogą wprowadzić trzeci układ bezwładnościowy, który porusza się w kierunku przeciwnym do podróżnika i służy do przesyłania danych z jego zegarka na Ziemię.
Druga grupa obejmuje obliczenia zbudowane z uwzględnieniem faktu, że momenty ruchu przyspieszonego nadal występują. Sama grupa również dzieli się na dwie podgrupy: jedna korzysta z teorii grawitacji (GR), a druga nie. Jeśli w grę wchodzi ogólna teoria względności, to zakłada się, że równanie zawiera pole grawitacyjne, które odpowiada przyspieszeniu układu, i uwzględnia się zmianę prędkości czasu.
Wniosek
Wszystkie dyskusje związane z wyimaginowanym paradoksem wynikają jedynie z pozornego logicznego błędu. Bez względu na to, jak sformułowane są warunki problemu, nie można zapewnić, aby bracia znaleźli się w całkowicie symetrycznych warunkach. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę, że czas zwalnia właśnie na poruszających się zegarach, które musiały przejść przez zmianę układów odniesienia, ponieważjednoczesność zdarzeń jest względna.
Istnieją dwa sposoby na obliczenie, jak bardzo czas zwolnił się z punktu widzenia każdego z braci: za pomocą najprostszych działań w ramach specjalnej teorii względności lub skupienie się na nieinercyjnych układach odniesienia. Wyniki obu łańcuchów obliczeniowych mogą być wzajemnie spójne i w równym stopniu służyć potwierdzeniu, że czas płynie wolniej na poruszającym się zegarze.
Na tej podstawie można założyć, że kiedy eksperyment myślowy zostanie przeniesiony do rzeczywistości, osoba, która zajmie miejsce domownika, rzeczywiście starzeje się szybciej niż podróżnik.
