Парадокс на близнаците (мисъл експеримент): обяснение

Основната цел на мисловния експеримент, наречен "Парадоксът на близнаците", беше да опровергае логиката и валидността на специалната теория на относителността (STR). Трябва да се отбележи веднага, че няма никакъв въпрос за някакъв парадокс, а самата дума се появява в тази тема, защото същността на умствения експеримент първоначално е била неразбрана.

Основната идея на SRT

Парадоксът на теорията на относителността (парадоксът на близнаците) казва, че "стационарният" наблюдател възприема процесите на движещи се обекти като забавящи се. Съгласно същата теория, инерциалните еталонни рамки (системи, в които движението на свободните тела са праволинейни и еднакви или са в покой), са еднакви по права един спрямо друг.

Парадокс на близнаците: накратко

Като се има предвид вторият постулат, се приема, че специалната теория на относителността е непоследователна . За да разреши този проблем визуално, беше предложено да се разгледа ситуацията с двама братя близнаци. Единият (условно - пътник) се изпраща на космически полет, а другият (домашно тяло) остава на планетата Земя.

Формулировката на парадокса на близнаците при такива условия обикновено звучи така: според домакинното време часовникът, който пътникът има, се движи по-бавно, което означава, че когато се върне, часовникът му ще падне. Пътникът, напротив, вижда, че Земята се движи по отношение на него (на която домашното е със своя часовник), а от негова гледна точка времето на брат му е по-бавно.

Всъщност и двамата братя са в еднакви условия, което означава, че когато са заедно, времето им ще бъде същото на техните часовници. В същото време, според теорията на относителността, точно времето на брат на пътешественика трябва да изостане. Такова нарушение на очевидната симетрия се считаше за несъответствие на разпоредбите на теорията.

Парадокс на близнаци от теорията на относителността на Айнщайн

През 1905 г. Алберт Айнщайн извлича теорема, според която когато двойки синхронизирани часовници са в точка А, може да се премести един от тях по криволинейна затворена траектория с постоянна скорост, докато отново достигнат точка А (и за това Ще бъдат изразходвани, например, секунди), но по време на пристигането те ще покажат по-кратко време от часовника, който остава неподвижен.

Шест години по-късно статутът на парадокса на тази теория е даден от Пол Лангвин. "Опакована" във визуална история, скоро се е превърнала в популярност сред хората, далеч от науката. Според самия Ланжевин, теоретичните несъответствия се обясняват с факта, че пътят се е върнал на Земята с ускорен темп.

Две години по-късно Макс фон Лауе е представена версия, която не е значима във всички моменти на ускоряване на обекта, а факта, че тя попада в друга инерционна рамка, когато е на Земята.

И накрая, през 1918 г. Айнщайн е в състояние да обясни парадокса на двете близнаци чрез влиянието на гравитационното поле върху потока от време.

Обяснение на парадокса

Парадоксът на обясненията на близнаците е съвсем прост: първоначалното предположение за равенство между двете референтни рамки е неправилно. Пътникът не остава постоянно в инерциалната рамка на справка (това важи и за историята на часовника).

В резултат на това мнозина смятат, че специална теория на относителността не може да се използва за правилно формулиране на парадокса на близнаците, иначе се получават несъответствия, които са несъвместими помежду си.

Всичко бе решено, когато се създаде общата теория на относителността. Тя даде точното решение за задачата и успя да потвърди, че от двойката синхронизирани часовници тези, които са в движение, ще изостават. Така че първоначално парадоксалната задача беше класирана като обикновена.

Противоречиви моменти

Има предложения, че времето за ускорение е достатъчно значимо, за да се промени скоростта на часовника. Но в хода на многобройни експериментални проверки беше доказано, че при действието на ускорението движението на времето не се ускорява или забавя.

В резултат на това сегментът на траекторията, в който един от братята се ускори, показва само известна асиметрия, възникваща между пътника и домашното тяло.

Но това твърдение не може да обясни защо времето се забавя точно от движещ се обект, а не от това, което остава в покой.

Практическо тестване

Парадоксът на близнаците от формулата и теоремата описва точно, но е доста трудно за некомпетентно лице. За онези, които са по-склонни да се доверят на практика, отколкото на теоретични изчисления, са извършени множество експерименти, чиято цел е да докажат или да отхвърлят теорията на относителността.

В един случай беше използван атомен часовник. Те са изключително точни и за минимална десинхронизация те ще се нуждаят от повече от един милион години. Поставени в пътнически самолет, те летяха няколко пъти около Земята и след това показаха забележимо изоставане от тези часове, които не летяха никъде. И това въпреки факта, че скоростта на движение на първата извадка от часовника беше далеч от светлина.

Друг пример: по-дълъг живот на муони (тежки електрони). Тези елементарни частици са няколкостотин пъти по-тежки от обичайното, имат отрицателен заряд и се образуват в горния слой на земната атмосфера поради действието на космическите лъчи. Скоростта на тяхното придвижване към Земята е малко по-малка от скоростта на светлината. С истинската им продължителност (за 2 микросекунди) те ще се разпадат, преди да докоснат повърхността на планетата. Но в процеса на летене те живеят 15 пъти по-дълго (30 микросекунди) и все още постигат целта.

Физическата причина за парадокса и обмяната на сигнали

Парадоксът на близнаците физика обяснява и по-достъпен език. Докато полетът е в ход, двамата братя близнаци са недостъпни един за друг и не могат на практика да проверят дали часовниците им се движат синхронно. Възможно е да се определи точно колко бавно се движи пътникът, като се анализират сигналите, които те ще изпращат един към друг. Това са условни сигнали на "точно време", изразени като светлинни импулси или видеоразпръскване на наклона на часовника.

Трябва да се разбере, че сигналът ще бъде предаден не в сегашното напрежение, а в миналото, тъй като разпространението на сигнала се извършва с определена скорост и отнема известно време, за да премине от източника към приемника.

Правилната оценка на резултата от диалога за сигнала може да се извърши само с Доплеров ефект: когато източникът бъде премахнат от приемника, честотата на сигнала ще намалее и при приближаването му ще се увеличи.

Формулиране на обяснение в парадоксални ситуации

За да обясним парадоксите на подобни истории с близнаци, могат да се използват два основни метода:

1. Задълбочено изследване на съществуващите логически конструкции за предмета на противоречията и идентифициране на логическите грешки в логическата верига.
2. Извършване на подробни изчисления, за да се прецени фактът, че времето за инхибиране е от гледна точка на всеки от братята.

Първата група включва изчислителни изрази, базирани на SRT и вписани в инерционни рамки. Тук се има предвид, 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 може да се въведе трета инерционна референтна система, която напредва в обратна посока по отношение на пътника и се използва за прехвърляне на данни от часовника си към Земята.

Втората група включва изчисления въз основа на факта, че все още са налице моменти на ускорено движение. Тази самата група също е подразделена на две подгрупи: едната използва гравитационна теория (GTR), а другата не. Ако се включва GRT, се предполага, че полето съдържа гравитационно поле, което съответства на ускорението на системата и отчита промяната в скоростта на потока от време.

заключение

Всички дискусии, свързани с въображаемия парадокс, се дължат само на очевидна логическа грешка. Независимо от формулирането на условията на проблема, не е възможно да се гарантира, че братята са в напълно симетрични условия. Важно е да се има предвид, че времето се забавя именно при движещите се часовници, които трябва да преминат през промяната на еталонните рамки, защото едновременността на събитията е относителна.

Изчислете колко време се е забавило от гледна точка на всеки от братята по два начина: използване на най-простите действия в рамките на специалната теория на относителността или чрез фокусиране върху неенергийни еталонни рамки. Резултатите от двете изчислителни схеми могат да бъдат взаимно съвместими и еднакво да служат за потвърждаване, че движещият се часовник е по-бавен.

Въз основа на това може да се приеме, че когато прехвърлите умствения експеримент в реалност, този, който заема мястото на домашното тяло, наистина ще остарее по-бързо от пътника.