Парадокс близнюків (уявний експеримент): пояснення
Основним призначенням мисленого експерименту під назвою «Парадокс близнюків» було спростування логічності та обґрунтованості спеціальної теорії відносності (СТО). Варто відразу обмовитися, що ні про який парадокс насправді мова не йде, а саме слово фігурує в цій темі тому, що суть мисленого експерименту була спочатку неправильно сприйнята.
Насправді обидва брата знаходяться в рівних умовах, а значить, коли вони опиняться разом, то на їх годиннику час буде однаковим. Одночасно з теорії відносності відставати повинні саме годинник брата-мандрівника. Таке порушення очевидною симетричності було розглянуто як неузгодженість положень теорії.
Як наслідок, багато хто вважав, що спеціальну теорію відносності не можна використовувати для правильного формулювання парадоксу близнюків, інакше виходять несумісні один з одним передбачення. Все вирішилося, коли була створена загальна теорія відносності. Вона дала точне рішення для наявної задачі і змогла підтвердити, що з пари синхронізованих годин відставати будуть саме ті, які знаходяться в русі. Так спочатку парадоксальна завдання отримала статус рядовий.
Уважне розгляд наявних логічних побудов на предмет виявлення протиріч і логічних помилок в ланцюзі міркувань. Здійснення детальних обчислень з метою оцінки факту гальмування часу з точки зору кожного з братів. У першу групу потрапляють обчислювальні вирази, засновані на СТО і вписані в інерціальні системи відліку. Тут мається на увазі, що моменти, пов'язані з прискоренням руху, настільки малі по відношенню до загальної довжини польоту, що ними можна знехтувати. В окремих випадках можуть вводити третю інерційну систему відліку, яка рухається по зустрічному напрямку щодо мандрівника і використовується для передачі даних з його годин на Землю. У другу групу входять обчислення, побудовані з урахуванням того, що моменти прискореного руху все ж присутні. Сама ця група також підрозділяється на дві підгрупи: в одній застосовується гравітаційна теорія (ОТО), а в іншій – ні. Якщо У задіяна, то мається на увазі, що в рівнянні фігурує полі гравітації, яке відповідає прискоренню системи, та береться до уваги зміна швидкості перебігу часу.
Основна ідея СТО
Парадокс теорії відносності (парадокс близнюків) говорить, що «нерухомий» спостерігач сприймає процеси рухомих об'єктів як уповільнення. Згідно з тією ж теорією інерціальні системи відліку (системи, в яких рух вільних тіл відбувається прямолінійно і рівномірно або знаходяться в стані спокою) рівноправні відносно один одного.Парадокс близнюків: коротко
З урахуванням другого постулату виникає припущення про суперечливість спеціальної теорії відносності. Щоб вирішити цю проблему наочно, було запропоновано розглянути ситуацію з двома братами-близнюками. Одного (умовно – мандрівника) відправляють в космічний політ, а іншого (домосіда) залишають на планеті Земля. Формулювання парадоксу близнюків при таких умовах зазвичай звучить так: за оцінкою домосіда, час на тих годинах, які перебувають у мандрівника, рухається повільніше, а значить, коли він повернеться, його (мандрівника) годинники будуть відставати. Мандрівник, навпаки, бачить, що щодо нього рухається Земля (на якій знаходиться домосід зі своїми годинами), і, з його точки зору, саме у його брата час буде йти більш повільно.Насправді обидва брата знаходяться в рівних умовах, а значить, коли вони опиняться разом, то на їх годиннику час буде однаковим. Одночасно з теорії відносності відставати повинні саме годинник брата-мандрівника. Таке порушення очевидною симетричності було розглянуто як неузгодженість положень теорії.
Парадокс близнюків з теорії відносності Ейнштейна
У 1905 році Альберт Ейнштейн вивів теорему, яка говорить, що при знаходженні в точці А пари синхронізовані один з одним годин можна переміщати одні з них по криволінійній замкнутої траєкторії з незмінною швидкістю до тих пір, поки вони знову не досягнуть точки А (і на це буде витрачено, наприклад, t секунд), але у момент прибуття вони покажуть менший час, ніж ті години, що залишалися нерухомі. Шість років потому статус парадоксу цієї теорії надав Поль Ланжевен. «Загорнута» в наочну історію, вона швидко набула популярності навіть серед людей, далеких від науки. На думку самого Ланжевена, нестиковки в теорії пояснювалися тим, що, повертаючись на Землю, мандрівник рухався прискорено. Ще через два роки Максом фон Лауе була висунута версія про те, що значущі зовсім не моменти прискорення об'єкта, а той факт, що він потрапляє в іншу інерційну систему відліку, коли опиняється на Землі. Нарешті в 1918 році Ейнштейн зміг сам пояснити парадокс двох близнюків через вплив поля тяжіння на перебіг часу.Пояснення парадоксу
Парадокс близнюків пояснення має досить просте: початкове припущення про рівноправність між двома системами відліку невірно. Мандрівник перебував в інерціальній системі відліку не весь час (це ж стосується й історії з годинником).Як наслідок, багато хто вважав, що спеціальну теорію відносності не можна використовувати для правильного формулювання парадоксу близнюків, інакше виходять несумісні один з одним передбачення. Все вирішилося, коли була створена загальна теорія відносності. Вона дала точне рішення для наявної задачі і змогла підтвердити, що з пари синхронізованих годин відставати будуть саме ті, які знаходяться в русі. Так спочатку парадоксальна завдання отримала статус рядовий.
Спірні моменти
Існують припущення про те, що момент прискорення досить значущий для зміни швидкості ходу годинника. Але в час численних експериментальних перевірок було доведено, що під дією прискорення рух часу не прискорюється і не сповільнюється. В результаті відрізок траєкторії, на якому один з братів прискорювався, демонструє тільки певну асиметричність, що виникає між мандрівником і домосідом. Але дане твердження не може пояснити, чому час сповільнюється саме у рухомого об'єкту, а не у того, що залишається в спокої.Перевірка практикою
Парадокс близнюків формули та теореми описують точно, але це для людини некомпетентного досить складно. Для тих, хто більше схильний довіряти практиці, а не теоретичним викладкам, були проведені численні експерименти, метою яких було довести або спростувати теорію відносності. В одному з випадків використовувалися атомні годинники. Вони відрізняються сверхточностью, і для мінімальної розсинхронізації їм потрібен не один мільйон років. Поміщені в пасажирський літак, вони кілька разів облетіли Землю і після показали цілком помітне відставання від тих годин, які нікуди не літали. І це при тому, що швидкість пересування у першого зразка годин була далеко не світлова. Інший приклад: більш тривала життя мюонів (важких електронів). Ці елементарні частинки в кілька сотень разів важче звичайних, володіють негативним зарядом і формуються у верхньому шарі земної атмосфери завдяки дії космічних променів. Швидкість їх руху до Землі лише на дещицю поступається світловий. При їх істинній тривалості життя (в мікросекунди 2) вони розпадалися б раніше, ніж торкнуться поверхні планети. Але в процесі польоту вони живуть в 15 разів довше (30 мікросекунд) і все-таки досягають мети.Фізична причина парадоксу і обмін сигналами
Парадокс близнюків фізика пояснює і більш доступною мовою. Поки відбувається політ, обидва брата-близнюка знаходяться поза зоною досяжності один для одного і не можуть на практиці переконатися в тому, що їх годинник рухаються синхронно. Точно визначити, наскільки сповільнюється рух годин у мандрівника, можна, якщо проаналізувати сигнали, які вони будуть посилати один одному. Це умовні сигнали точного часу», виражені як світлові імпульси або відеотрансляція циферблата годинника. Потрібно розуміти, що сигнал буде передаватися не в теперішньому часі, а вже в минулому, оскільки поширення сигналу відбувається з певною швидкістю і потрібен певний час, щоб пройти від джерела до приймача. Правильно оцінювати результат сигнального діалогу можна тільки з урахуванням ефекту Доплера: якщо видалення джерела від приймача частота сигналу зменшиться, а при наближенні – збільшиться.Формулювання пояснення в парадоксальних ситуаціях
Для пояснення парадоксів подібних історій з близнюками можна застосувати два основних способи:Висновок
Всі обговорення, пов'язані з уявним парадоксом, обумовлені лише уявній логічною помилкою. Як би ні були сформульовані умови завдання, домогтися того, щоб брати опинилися в повністю симетричних умовах неможливо. Важливо врахувати, що час сповільнюється саме на рухомих годинах, яким довелося пройти через зміну систем відліку, тому що одночасність подій відносна. Розрахувати, наскільки сповільнилося час з точки зору кожного з братів, можна двома способами: використовуючи найпростіші дії в рамках спеціальної теорії відносності або орієнтуючись на неінерціальні системи відліку. Результати обох ланцюгів обчислень можуть бути взаємно узгоджені і в однаковій мірі служать для підтвердження того, що на рухомих годиннику час йде повільніше. На цій підставі можна припускати, що при перенесенні мисленого експерименту в реальність той, хто займе місце домосіда, дійсно постаріє швидше, ніж мандрівник.Добрі поради по темі

Наука
Багатовимірне простір: поняття, суть, теорія

Наука
Потурання – це прояв доброти по відношенню до близької або до самого себе?

Середня освіта
Релятивістський закон додавання швидкостей: визначення, особливості та формула

Середня освіта
Гіпотеза лінгвістичної відносності: приклади

Середня освіта
Основний закон Ейнштейна

Середня освіта
Що називається релятивистским уповільненням часу? Що таке час у фізиці

Середня освіта
Теорія відносності простою мовою. Теорія відносності Ейнштейна

Середня освіта
Парадокс - це Парадокси фізики. Теорія парадоксів