Glavni namen miselnega eksperimenta, imenovanega "Paradoks dvojčkov", je bil ovreči logiko in veljavnost posebne teorije relativnosti (SRT). Takoj je vredno omeniti, da pravzaprav ne gre za noben paradoks, sama beseda pa se pojavlja v tej temi, ker je bilo bistvo miselnega eksperimenta sprva napačno razumljeno.
Glavna ideja SRT
Paradoks teorije relativnosti (paradoks dvojčka) pravi, da »nepremični« opazovalec zaznava procese premikanja predmetov kot upočasnitve. V skladu z isto teorijo so inercialni referenčni okvirji (okviri, v katerih se gibanje prostih teles odvija pravocrtno in enakomerno ali pa mirujejo) med seboj enaki.
Paradoks dvojčkov na kratko
Ob upoštevanju drugega postulata obstaja predpostavka o nedoslednosti posebne teorije relativnosti. Dovolitita problem jasno, je bilo predlagano, da se razmisli o situaciji z dvema bratoma dvojčkoma. Enega (pogojno - popotnika) pošljejo na vesoljski polet, drugega (domačega) pa pustijo na planetu Zemlja.
Formulacija paradoksa dvojčka v takšnih razmerah običajno zveni takole: glede na bivanje doma se čas na uri, ki ga ima popotnik, teče počasneje, kar pomeni, da ko se vrne, njegov (popotnikova) ura bo zaostajala. Popotnik, nasprotno, vidi, da se Zemlja premika glede nanj (na kateri je domobranec z uro), in z njegovega vidika bo njegov brat tisti, ki bo čas minil počasneje.
Dejansko sta oba brata v enakih razmerah, kar pomeni, da bo čas na njunih urah enak, ko sta skupaj. Hkrati naj bi po teoriji relativnosti prav bratova popotniška ura zaostajala. Takšna kršitev navidezne simetrije je veljala za nedoslednost v določbah teorije.
Paradoks dvojčka iz Einsteinove teorije relativnosti
Leta 1905 je Albert Einstein izpeljal izrek, ki pravi, da ko je par ur, sinhroniziranih med seboj v točki A, se lahko ena od njih premika po ukrivljeni zaprti poti s konstantno hitrostjo, dokler ponovno ne doseže točke A (in to bo trajalo na primer t sekund), vendar bodo v trenutku prihoda prikazali manj časa kot ura, ki je ostala nepremična.
Šest let pozneje je paradoksalni status te teorijezagotovil Paul Langevin. "Ovita" v vizualno zgodbo je kmalu postala priljubljena tudi med ljudmi, ki so daleč od znanosti. Po mnenju samega Langevina so bile nedoslednosti v teoriji razložene z dejstvom, da se je potnik po vrnitvi na Zemljo premikal pospešeno.
Dve leti pozneje je Max von Laue predstavil različico, da niso pomembni momenti pospeška predmeta, temveč dejstvo, da sodi v drug inercialni referenčni okvir, ko je na Zemlji.
Nazadnje je Einstein leta 1918 lahko sam razložil paradoks dveh dvojčkov z vplivom gravitacijskega polja na potek časa.
Razlaga paradoksa
Paradoks dvojčka ima precej preprosto razlago: začetna predpostavka o enakosti med obema referenčnima okviroma je napačna. Popotnik ni ves čas ostal v inercialnem referenčnem okviru (enako velja za zgodbo z uro).
Zaradi tega so mnogi menili, da posebne teorije relativnosti ni mogoče uporabiti za pravilno formuliranje paradoksa dvojčkov, sicer bi nastale nezdružljive napovedi.
Vse je bilo rešeno, ko je nastala splošna teorija relativnosti. Navedla je natančno rešitev zadevnega problema in lahko potrdila, da bodo med parom sinhroniziranih ur zaostajale tiste, ki so v gibanju. Tako je sprva paradoksalna naloga dobila status navadne.
kontroverzna vprašanja
Obstajajo predlogitrenutek pospeška je dovolj pomemben, da spremeni hitrost ure. Toda med številnimi eksperimentalnimi preizkusi je bilo dokazano, da se pod vplivom pospeška gibanje časa ne pospeši ali upočasni.
Kot rezultat, odsek poti, na katerem je pospešil eden od bratov, kaže le nekaj asimetrije, ki se pojavi med popotnikom in domačim.
Vendar ta izjava ne more razložiti, zakaj se čas upočasni za premikajoči se predmet in ne za nekaj, kar ostane v mirovanju.
Preizkus s prakso
Formule in izreki paradoksa dvojčkov natančno opisujejo, vendar je za nesposobno osebo precej težko. Za tiste, ki bolj kot teoretičnim izračunom zaupajo praksi, so bili izvedeni številni poskusi, katerih namen je bil dokazati ali ovreči teorijo relativnosti.
V enem primeru je bila uporabljena atomska ura. So zelo natančni in za minimalno desinhronizacijo bodo potrebovali več kot milijon let. Postavljeni v potniško letalo so večkrat obkrožili Zemljo in nato pokazali precej opazen zaostanek za tistimi urami, ki niso letele nikamor. In to kljub dejstvu, da je bila hitrost premikanja prvega vzorca ure daleč od svetlobe.
Še en primer: življenjska doba mionov (težkih elektronov) je daljša. Ti osnovni delci so nekaj stokrat težji od običajnih delcev, imajo negativen naboj in nastajajo v zgornji plasti zemeljske atmosfere zaradidelovanje kozmičnih žarkov. Hitrost njihovega gibanja proti Zemlji je le nekoliko nižja od hitrosti svetlobe. S svojo resnično življenjsko dobo (2 mikrosekundi) bi razpadli, preden bi se dotaknili površine planeta. Toda v procesu letenja živijo 15-krat dlje (30 mikrosekund) in še vedno dosežejo cilj.
Fizični vzrok paradoksa in izmenjava signalov
Fizika razlaga paradoks dvojčka v bolj dostopnem jeziku. Med letom sta oba brata dvojčka drug za drugega izven dosega in praktično ne moreta zagotoviti, da se njune ure premikajo sinhronizirano. Natančno je mogoče ugotoviti, koliko se gibanje potnikovih ur upočasni, če analiziramo signale, ki jih bodo pošiljali drug drugemu. To so običajni signali "točnega časa", izraženi kot svetlobni impulzi ali video prenos številčnice ure.
Razumeti morate, da se signal ne bo prenašal v sedanjem času, ampak že v preteklosti, saj se signal širi z določeno hitrostjo in traja določen čas, da preide od vira do sprejemnika.
Rezultat dialoga o signalu je mogoče pravilno oceniti le ob upoštevanju Dopplerjevega učinka: ko se vir odmakne od sprejemnika, se frekvenca signala zmanjša, ob približevanju pa se poveča.
Formuliranje razlage v paradoksalnih situacijah
Obstajata dva glavna načina za razlago paradoksov teh zgodb dvojčkov:
- Pozornoupoštevanje obstoječih logičnih konstrukcij za protislovja in prepoznavanje logičnih napak v verigi sklepanja.
- Izvajanje podrobnih izračunov za oceno dejstva časovnega upočasnitve z vidika vsakega od bratov.
Prva skupina vključuje računske izraze, ki temeljijo na SRT in so vpisani v inercialne referenčne okvire. Tu se domneva, da so momenti, povezani s pospeškom gibanja, tako majhni glede na celotno dolžino leta, da jih je mogoče zanemariti. V nekaterih primerih lahko uvedejo tretji inercialni referenčni okvir, ki se premika v nasprotni smeri glede na potnika in se uporablja za prenos podatkov iz njegove ure na Zemljo.
Druga skupina vključuje izračune, izdelane ob upoštevanju dejstva, da so trenutki pospešenega gibanja še vedno prisotni. Tudi ta skupina je razdeljena na dve podskupini: ena uporablja gravitacijsko teorijo (GR), druga pa ne. Če gre za splošno relativnost, potem se predpostavlja, da enačba vsebuje gravitacijsko polje, ki ustreza pospešku sistema, in se upošteva sprememba hitrosti časa.
Sklep
Vse razprave, povezane z namišljenim paradoksom, so posledica le navidezne logične napake. Ne glede na to, kako so formulirani pogoji problema, je nemogoče zagotoviti, da se bratje znajdejo v popolnoma simetričnih razmerah. Pomembno je upoštevati, da se čas upočasni ravno na premikajočih se urah, ki so morale iti skozi spremembo referenčnih okvirov, kersočasnost dogodkov je relativna.
Obstajata dva načina za izračun, koliko se je čas upočasnil z vidika vsakega od bratov: z uporabo najpreprostejših dejanj v okviru posebne teorije relativnosti ali z osredotočanjem na neinercialne referenčne okvire. Rezultati obeh verig računanja so lahko medsebojno skladni in enako služijo za potrditev, da čas teče počasneje na premikajoči se uri.
Na tej podlagi lahko domnevamo, da se bo, ko se miselni eksperiment prenese v realnost, tisti, ki bo zamenjal domobranca, res postaral hitreje kot popotnik.
