Twin Paradox -nimisen ajatuskokeilun päätarkoitus oli kumota erityissuhteellisuusteorian (SRT) logiikka ja pätevyys. On syytä mainita heti, että mistään paradokseista ei itse asiassa ole kysymys, ja itse sana esiintyy tässä aiheessa, koska ajatuskokeilun olemus ymmärrettiin alun perin väärin.
SRT:n pääidea
Suhteellisuusteorian paradoksi (kaksoisparadoksi) väittää, että "kiinteä" tarkkailija havaitsee liikkuvien esineiden prosessit hidastuvan. Saman teorian mukaan inertiavertailukehykset (kehykset, joissa vapaiden kappaleiden liike tapahtuu suoraviivaisesti ja tasaisesti tai ne ovat levossa) ovat keskenään samanarvoisia.
Kaksoisparadoksi lyhyesti
Kun toinen postulaatti otetaan huomioon, on olemassa oletus erityissuhteellisuusteorian epäjohdonmukaisuudesta. SalliaTämä ongelma selvästi, ehdotettiin harkitsemaan tilannetta kahden kaksoisveljen kanssa. Toinen (ehdollisesti - matkustaja) lähetetään avaruuslennolle ja toinen (kotihenkilö) jätetään maapallolle.
Kaksoisparadoksin muotoilu tällaisissa olosuhteissa kuulostaa yleensä tältä: kotona oleskelun mukaan matkaajan kellonaika liikkuu hitaammin, mikä tarkoittaa, että kun hän palaa, hänen (matkustajan) kello jää jäljessä. Matkustaja päinvastoin näkee, että maapallo liikkuu suhteessa häneen (jonka päällä on kotiihminen kellonsa kanssa), ja hänen näkökulmastaan hänen veljensä kuluttaa aikaa hitaammin.
Itse asiassa molemmat veljet ovat tasa-arvoisissa olosuhteissa, mikä tarkoittaa, että kun he ovat yhdessä, kellonaika on sama. Samaan aikaan suhteellisuusteorian mukaan veli-matkustajakellon pitäisi jäädä jälkeen. Tällaista näennäisen symmetrian rikkomista pidettiin epäjohdonmukaisuutena teorian säännöksissä.
Kaksoisparadoksi Einsteinin suhteellisuusteoriasta
Vuonna 1905 Albert Einstein päätteli lauseen, jonka mukaan kun toistensa kanssa synkronoitu kellopari on pisteessä A, yksi niistä voi liikkua kaarevaa suljettua lentorataa pitkin vakionopeudella, kunnes ne taas saavuttavat pisteen. A (ja tämä kestää esimerkiksi t sekuntia), mutta saapumishetkellä ne näyttävät vähemmän aikaa kuin kello, joka jäi liikkumatta.
Kuusi vuotta myöhemmin, tämän teorian paradoksitilatarjoaa Paul Langevin. Visuaaliseen tarinaan "kääritty" se saavutti pian suosion jopa tieteestä kaukana olevien ihmisten keskuudessa. Langevinin itsensä mukaan teorian epäjohdonmukaisuudet selittyvät sillä, että palatessaan Maahan matkustaja liikkui kiihtyvällä vauhdilla.
Kaksi vuotta myöhemmin Max von Laue esitti version, jonka mukaan kohteen kiihtyvyysmomentit eivät ole tärkeitä, vaan se, että se putoaa eri inertiaaliseen viitekehykseen, kun se on maan päällä.
Lopuksi vuonna 1918 Einstein pystyi selittämään kahden kaksosen paradoksin itse painovoimakentän vaikutuksen kautta ajan kulumiseen.
Paradoksien selitys
Kaksoisparadoksilla on melko yksinkertainen selitys: alkuperäinen oletus kahden viitekehyksen tasa-arvosta on väärä. Matkustaja ei pysynyt inertiaalisessa viitekehyksessä koko ajan (sama pätee kellon tarinaan).
Tämän seurauksena monet kokivat, että erityistä suhteellisuusteoriaa ei voitu käyttää kaksoisparadoksien oikein muotoilemiseen, muuten tuloksena olisivat yhteensopimattomat ennusteet.
Kaikki ratkesi, kun yleinen suhteellisuusteoria luotiin. Hän antoi tarkan ratkaisun käsillä olevaan ongelmaan ja pystyi vahvistamaan, että synkronoiduista kelloista juuri liikkeessä olevat jäävät jälkeen. Joten alun perin paradoksaalinen tehtävä sai tavallisen tilan.
Kiistanalaiset ongelmat
On ehdotuksiakiihtyvyyshetki on tarpeeksi merkittävä kellon nopeuden muuttamiseksi. Mutta lukuisissa kokeellisissa testeissä todistettiin, että kiihtyvyyden vaikutuksesta ajan liike ei kiihdy eikä hidastu.
Tämän seurauksena lentoradan segmentti, jolla yksi veljistä kiihtyi, osoittaa vain jonkin verran epäsymmetriaa, joka esiintyy matkustajan ja kotiihmisen välillä.
Mutta tämä lausunto ei voi selittää sitä, miksi aika hidastuu liikkuvalle esineelle eikä jollekin, joka jää levossa.
Testaa käytännössä
Kaksoisparadoksikaavat ja -lauseet kuvaavat tarkasti, mutta se on epäpätevälle ihmiselle melko vaikeaa. Niille, jotka ovat taipuvaisempia luottamaan käytäntöön kuin teoreettisiin laskelmiin, on tehty lukuisia kokeita, joiden tarkoituksena oli osoittaa tai kumota suhteellisuusteoria.
Yhdessä tapauksessa käytettiin atomikelloa. Ne ovat erittäin tarkkoja, ja vähimmäisdesynkronointiin ne tarvitsevat yli miljoona vuotta. Matkustajakoneeseen sijoitettuna ne kiersivät Maan ympäri useita kertoja ja osoittivat sitten huomattavan viiveen niihin kelloihin, jotka eivät lentäneet minnekään. Ja tämä huolimatta siitä, että kellon ensimmäisen näytteen liikenopeus oli kaukana valosta.
Toinen esimerkki: myonien (raskaiden elektronien) elinikä on pidempi. Nämä alkuainehiukkaset ovat useita satoja kertoja raskaampia kuin tavalliset hiukkaset, niillä on negatiivinen varaus ja ne muodostuvat maan ilmakehän ylempään kerrokseen.kosmisten säteiden toimintaa. Niiden nopeus kohti maata on vain hieman pienempi kuin valon nopeus. Todellisella elinkaarellaan (2 mikrosekuntia) ne olisivat rappeutuneet ennen kuin ne olisivat koskettaneet planeetan pintaa. Mutta lentäessään ne elävät 15 kertaa pidempään (30 mikrosekuntia) ja saavuttavat silti tavoitteen.
Paradoksien ja signaalinvaihdon fyysinen syy
Fysiikka selittää kaksoisparadoksin ymmärrettävämmällä kielellä. Lennon aikana molemmat kaksoisveljet ovat toistensa kantaman ulkopuolella eivätkä voi käytännössä varmistaa, että heidän kellonsa liikkuvat tahdissa. On mahdollista määrittää tarkasti, kuinka paljon matkustajan kellojen liike hidastuu, jos analysoimme signaaleja, joita ne lähettävät toisilleen. Nämä ovat tavanomaisia "tarkan ajan" signaaleja, jotka ilmaistaan valopulsseina tai kellotaulun videolähetyksenä.
Sinun on ymmärrettävä, että signaalia ei lähetetä nykymuodossa, vaan jo menneisyydessä, koska signaali etenee tietyllä nopeudella ja kestää tietyn ajan siirtyä lähteestä vastaanottimeen.
Signaalidialogin tulos on mahdollista arvioida oikein vain Doppler-ilmiön huomioon ottaen: kun lähde siirtyy pois vastaanottimesta, signaalin taajuus pienenee ja lähestyttäessä se kasvaa.
Selityksen muotoilu paradoksaalisissa tilanteissa
Näiden kaksoistarinoiden paradokseja voidaan selittää kahdella päätavalla:
- Huomioolemassa olevien loogisten rakenteiden huomioiminen ristiriitojen var alta ja loogisten virheiden tunnistaminen päättelyketjussa.
- Suoritetaan yksityiskohtaisia laskelmia ajan hidastumisen arvioimiseksi kunkin veljen näkökulmasta.
Ensimmäiseen ryhmään kuuluvat SRT:hen perustuvat laskennalliset lausekkeet, jotka on kirjattu inertiaalisiin viitekehykseen. Tässä oletetaan, että liikkeen kiihtyvyyteen liittyvät momentit ovat niin pieniä suhteessa kokonaislennon pituuteen, että ne voidaan jättää huomiotta. Joissakin tapauksissa ne voivat ottaa käyttöön kolmannen inertiavertailukehyksen, joka liikkuu vastakkaiseen suuntaan suhteessa matkustajaan ja jota käytetään tiedon siirtämiseen hänen kellostaan Maahan.
Toiseen ryhmään kuuluvat laskelmat, jotka on rakennettu ottaen huomioon, että kiihdytetyn liikkeen hetkiä on edelleen olemassa. Tämä ryhmä itsessään on myös jaettu kahteen alaryhmään: toinen käyttää gravitaatioteoriaa (GR) ja toinen ei. Jos kyseessä on yleinen suhteellisuusteoria, oletetaan yhtälön sisältävän gravitaatiokentän, joka vastaa järjestelmän kiihtyvyyttä, ja ajan nopeuden muutos otetaan huomioon.
Johtopäätös
Kaikki kuvitteelliseen paradoksiin liittyvät keskustelut johtuvat vain näennäisestä loogisesta virheestä. Riippumatta siitä, miten ongelman ehdot on muotoiltu, on mahdotonta varmistaa, että veljet joutuvat täysin symmetrisiin olosuhteisiin. On tärkeää ottaa huomioon, että aika hidastuu juuri liikkuvissa kelloissa, jotka joutuivat käymään läpi viitekehyksen muutoksen, koskatapahtumien samanaikaisuus on suhteellista.
On kaksi tapaa laskea, kuinka paljon aika on hidastunut kunkin veljen näkökulmasta: käyttämällä yksinkertaisimpia toimintoja erityissuhteellisuusteorian puitteissa tai keskittymällä ei-inertiaalisiin viitekehykseen.. Molempien laskentaketjujen tulokset voivat olla keskenään johdonmukaisia ja yhtä lailla vahvistavat, että aika kuluu hitaammin liikkuvassa kellossa.
Tällä perusteella voidaan olettaa, että kun ajatuskokeilu siirretään todellisuuteen, kotiihmisen tilalle astuva todellakin vanhenee nopeammin kuin matkustaja.
