Scopul principal al experimentului de gândire numit „Paradoxul gemenului” a fost să respingă logica și validitatea teoriei speciale a relativității (SRT). Merită menționat imediat că, de fapt, nu se pune problema vreunui paradox, iar cuvântul în sine apare în acest subiect deoarece esența experimentului de gândire a fost inițial înțeleasă greșit.
Ideea principală a SRT
Paradoxul teoriei relativității (paradoxul gemenilor) afirmă că un observator „staționar” percepe procesele de mișcare a obiectelor ca fiind încetinite. În conformitate cu aceeași teorie, cadrele de referință inerțiale (cadrele în care mișcarea corpurilor libere are loc în linie dreaptă și uniform, sau sunt în repaus) sunt egale între ele.
Paradoxul gemenilor pe scurt
Luând în considerare al doilea postulat, există o presupunere despre inconsecvența teoriei relativității speciale. A permiteclar această problemă, s-a propus să se ia în considerare situația cu doi frați gemeni. Unul (condiționat - un călător) este trimis într-un zbor spațial, iar celăl alt (o persoană de origine) este lăsat pe planeta Pământ.
Formularea paradoxului geamănului în astfel de condiții sună, de obicei, așa: conform stării acasă, ora de pe ceas pe care o are călătorul se mișcă mai încet, ceea ce înseamnă că atunci când se întoarce, lui (ceasul călătorului) va rămâne în urmă. Călătorul, dimpotrivă, vede că Pământul se mișcă în raport cu el (pe care se află un homebody cu ceasul lui) și, din punctul lui de vedere, fratele său este cel care va trece timpul mai încet.
De fapt, ambii frați sunt în condiții egale, ceea ce înseamnă că atunci când sunt împreună, ora de pe ceasurile lor va fi aceeași. În același timp, conform teoriei relativității, ceasul fratelui călător este cel care ar trebui să rămână în urmă. O astfel de încălcare a simetriei aparente a fost considerată ca o inconsecvență în prevederile teoriei.
Paradoxul gemenilor din teoria relativității a lui Einstein
În 1905, Albert Einstein a dedus o teoremă care afirmă că atunci când o pereche de ceasuri sincronizate între ele se află în punctul A, unul dintre ele se poate mișca de-a lungul unei traiectorii curbe închise cu o viteză constantă până când ajung din nou în punctul respectiv. A (și aceasta va dura, de exemplu, t secunde), dar în momentul sosirii vor afișa mai puțin timp decât ceasul care a rămas nemișcat.
Șase ani mai târziu, statutul de paradox al acestei teoriioferit de Paul Langevin. „Înfășurat” într-o poveste vizuală, a câștigat în curând popularitate chiar și în rândul oamenilor departe de știință. Potrivit lui Langevin însuși, inconsecvențele din teorie s-au explicat prin faptul că, întorcându-se pe Pământ, călătorul s-a deplasat într-un ritm accelerat.
Doi ani mai târziu, Max von Laue a prezentat o versiune conform căreia nu momentele de accelerație ale unui obiect sunt semnificative, ci faptul că acesta intră într-un cadru de referință inerțial diferit atunci când se află pe Pământ.
În sfârșit, în 1918, Einstein a putut explica el însuși paradoxul a doi gemeni prin influența câmpului gravitațional asupra trecerii timpului.
Explicația paradoxului
Paradoxul gemenilor are o explicație destul de simplă: ipoteza inițială a egalității dintre cele două cadre de referință este greșită. Călătorul nu a rămas tot timpul în cadrul inerțial de referință (același lucru este valabil și pentru povestea cu ceasul).
Ca urmare, mulți au considerat că relativitatea specială nu poate fi folosită pentru a formula corect paradoxul gemenilor, altfel ar rezulta predicții incompatibile.
Totul a fost rezolvat când a fost creată teoria generală a relativității. Ea a dat soluția exactă pentru problema în cauză și a putut să confirme că dintr-o pereche de ceasuri sincronizate, cele aflate în mișcare ar rămâne în urmă. Deci, sarcina inițial paradoxală a primit statutul de una obișnuită.
Probleme controversate
Există sugestii caremomentul de accelerare este suficient de semnificativ pentru a schimba viteza ceasului. Dar în cursul a numeroase teste experimentale, s-a dovedit că, sub influența accelerației, mișcarea timpului nu accelerează sau încetinește.
Ca urmare, segmentul de traiectorie, pe care unul dintre frați a accelerat, demonstrează doar o oarecare asimetrie care apare între călător și homebody.
Dar această afirmație nu poate explica de ce timpul încetinește pentru un obiect în mișcare și nu pentru ceva care rămâne în repaus.
Test prin practică
Formulele și teoremele paradoxului gemenesc descriu exact, dar este destul de dificil pentru o persoană incompetentă. Pentru cei care sunt mai înclinați să aibă încredere mai degrabă în practică decât în calcule teoretice, au fost efectuate numeroase experimente, al căror scop a fost să demonstreze sau să infirme teoria relativității.
Într-un caz, a fost folosit un ceas atomic. Sunt foarte precise, iar pentru o desincronizare minimă vor avea nevoie de mai mult de un milion de ani. Așezați într-un avion de pasageri, au înconjurat Pământul de mai multe ori și apoi au arătat o întârziere destul de vizibilă în spatele acelor ceasuri care nu zburau nicăieri. Și asta în ciuda faptului că viteza de mișcare a primului eșantion al ceasului era departe de lumină.
Un alt exemplu: viața muonilor (electronii grei) este mai lungă. Aceste particule elementare sunt de câteva sute de ori mai grele decât particulele obișnuite, au o sarcină negativă și se formează în stratul superior al atmosferei pământului datorităacțiunea razelor cosmice. Viteza mișcării lor către Pământ este doar puțin inferioară vitezei luminii. Cu adevărata lor durată de viață (2 microsecunde), ei s-ar fi degradat înainte de a atinge suprafața planetei. Dar în procesul de zbor, ei trăiesc de 15 ori mai mult (30 de microsecunde) și încă ating obiectivul.
Cauza fizică a paradoxului și a schimbului de semnale
Fizica explică paradoxul gemenilor într-un limbaj mai accesibil. În timpul zborului, ambii frați gemeni sunt în afara razei unul pentru celăl alt și practic nu se pot asigura că ceasurile lor se mișcă sincronizat. Este posibil să stabilim cu exactitate cât de mult încetinește mișcarea ceasurilor călătorului dacă analizăm semnalele pe care acestea le vor trimite unul altuia. Acestea sunt semnale convenționale de „ora exactă”, exprimate ca impulsuri de lumină sau transmisie video a cadranului ceasului.
Trebuie să înțelegeți că semnalul nu va fi transmis la timpul prezent, ci deja în trecut, deoarece semnalul se propagă cu o anumită viteză și este nevoie de un anumit timp pentru a trece de la sursă la receptor.
Este posibil să se evalueze corect rezultatul dialogului semnalului doar ținând cont de efectul Doppler: atunci când sursa se îndepărtează de receptor, frecvența semnalului va scădea, iar când este abordată, aceasta va crește.
Formularea unei explicații în situații paradoxale
Există două moduri principale de a explica paradoxurile acestor povești gemene:
- Atențiluarea în considerare a construcțiilor logice existente pentru contradicții și identificarea erorilor logice în lanțul de raționament.
- Efectuarea de calcule detaliate pentru evaluarea faptului decelerării timpului din punctul de vedere al fiecăruia dintre frați.
Primul grup include expresii de calcul bazate pe SRT și înscrise în cadre de referință inerțiale. Se presupune aici că momentele asociate cu accelerarea mișcării sunt atât de mici în raport cu lungimea totală a zborului încât pot fi neglijate. În unele cazuri, acestea pot introduce un al treilea cadru inerțial de referință, care se mișcă în direcția opusă în raport cu călătorul și este folosit pentru a transmite date de la ceasul său pe Pământ.
Al doilea grup include calcule construite ținând cont de faptul că momentele de mișcare accelerată sunt încă prezente. Acest grup în sine este, de asemenea, împărțit în două subgrupe: unul folosește teoria gravitațională (GR), iar celăl alt nu. Dacă este implicată relativitatea generală, atunci se presupune că ecuația conține câmpul gravitațional, care corespunde accelerației sistemului și se ia în considerare modificarea vitezei timpului.
Concluzie
Toate discuțiile legate de paradoxul imaginar se datorează doar unei aparente erori logice. Indiferent de modul în care sunt formulate condițiile problemei, este imposibil să ne asigurăm că frații se găsesc în condiții complet simetrice. Este important de luat în considerare că timpul încetinește tocmai la ceasurile în mișcare, care au trebuit să treacă printr-o schimbare a cadrelor de referință, deoarecesimultaneitatea evenimentelor este relativă.
Există două moduri de a calcula cât de mult a încetinit timpul din punctul de vedere al fiecăruia dintre frați: folosind cele mai simple acțiuni în cadrul teoriei relativității speciale sau concentrarea pe cadre de referință non-inerțiale. Rezultatele ambelor lanțuri de calcul pot fi reciproc coerente și servesc în egală măsură pentru a confirma că timpul trece mai lent pe un ceas care se mișcă.
Pe această bază, se poate presupune că, atunci când experimentul de gândire este transferat în realitate, cel care ia locul unei persoane de acasă va îmbătrâni într-adevăr mai repede decât călătorul.
