Hlavním účelem myšlenkového experimentu zvaného „Paradox dvojčat“bylo vyvrátit logiku a platnost speciální teorie relativity (SRT). Hned stojí za zmínku, že o žádném paradoxu vlastně nemůže být ani řeč a slovo samotné se v tomto tématu objevuje, protože podstata myšlenkového experimentu byla zpočátku nepochopena.
Hlavní myšlenka SRT
Paradox teorie relativity (paradox dvojčat) říká, že „stacionární“pozorovatel vnímá procesy pohybujících se objektů jako zpomalující. V souladu se stejnou teorií jsou inerciální vztažné soustavy (snímky, ve kterých se volná tělesa pohybují přímočaře a rovnoměrně, nebo jsou v klidu) vůči sobě navzájem rovnocenné.
Pardox dvojčat ve zkratce
Vezmeme-li v úvahu druhý postulát, existuje předpoklad o nekonzistentnosti speciální teorie relativity. Dovolittento problém jasně, bylo navrženo zvážit situaci se dvěma bratry-dvojčaty. Jeden (podmíněně - cestovatel) je poslán na vesmírný let a druhý (domácí tělo) je ponechán na planetě Zemi.
Formulace paradoxu dvojčete za takových podmínek obvykle zní takto: podle pobytu doma se čas na hodinách, který má cestovatel, pohybuje pomaleji, což znamená, že když se vrátí, jeho (cestovatelovy) hodiny budou pozadu. Cestovatel naopak vidí, že se Země vůči němu pohybuje (na které je domácí s hodinkami) a z jeho pohledu je to jeho bratr, komu bude čas plynout pomaleji.
Ve skutečnosti jsou oba bratři ve stejných podmínkách, což znamená, že když jsou spolu, čas na jejich hodinách bude stejný. Přitom právě hodinky bratra-cestovatele by podle teorie relativity měly zaostávat. Takové porušení zdánlivé symetrie bylo považováno za rozpor v ustanoveních teorie.
Paradox dvojčat z Einsteinovy teorie relativity
V roce 1905 Albert Einstein odvodil větu, která říká, že když je pár hodin vzájemně synchronizovaných v bodě A, jeden z nich se může pohybovat po zakřivené uzavřené trajektorii konstantní rychlostí, dokud znovu nedosáhnou bodu A (a to bude trvat například t sekund), ale v okamžiku příjezdu ukážou méně času než hodiny, které zůstaly nehybné.
O šest let později paradoxní stav této teorieposkytl Paul Langevin. „Zabalené“do vizuálního příběhu si brzy získalo oblibu i mezi lidmi daleko od vědy. Podle samotného Langevina byly nesrovnalosti v teorii vysvětleny skutečností, že při návratu na Zemi se cestovatel pohyboval zrychleným tempem.
O dva roky později předložil Max von Laue verzi, že významné nejsou momenty zrychlení objektu, ale skutečnost, že spadá do jiné inerciální vztažné soustavy, když je na Zemi.
Konečně, v roce 1918, Einstein dokázal vysvětlit paradox dvou dvojčat sám prostřednictvím vlivu gravitačního pole na běh času.
Vysvětlení paradoxu
Paradox dvojčat má poměrně jednoduché vysvětlení: počáteční předpoklad rovnosti mezi dvěma referenčními systémy je špatný. Cestovatel nezůstal po celou dobu v inerciální vztažné soustavě (totéž platí pro příběh s hodinami).
V důsledku toho se mnozí domnívali, že ke správné formulaci paradoxu dvojčat nelze použít speciální teorii relativity, jinak by vznikly neslučitelné předpovědi.
Vše bylo vyřešeno, když byla vytvořena obecná teorie relativity. Poskytla přesné řešení daného problému a byla schopna potvrdit, že z dvojice synchronizovaných hodin zaostávají právě ty v pohybu. Původně paradoxní úkol tak získal status obyčejného.
Kontroverzní problémy
Jsou návrhy, kteréokamžik zrychlení je dostatečně významný, aby změnil rychlost hodin. Ale v průběhu četných experimentálních testů bylo prokázáno, že pod vlivem zrychlení se pohyb času nezrychluje ani nezpomaluje.
Výsledkem je, že úsek trajektorie, na kterém jeden z bratrů zrychlil, vykazuje pouze určitou asymetrii, ke které dochází mezi cestujícím a domácím tělesem.
Toto tvrzení však nemůže vysvětlit, proč se čas zpomaluje pro pohybující se objekt, a ne pro něco, co zůstává v klidu.
Test praxí
Vzorce a věty paradoxu dvojčat přesně popisují, ale pro nekompetentního člověka je to docela obtížné. Pro ty, kteří více důvěřují praxi spíše než teoretickým výpočtům, byly provedeny četné experimenty, jejichž účelem bylo dokázat nebo vyvrátit teorii relativity.
V jednom případě byly použity atomové hodiny. Jsou vysoce přesné a pro minimální desynchronizaci budou potřebovat více než jeden milion let. Umístěny v osobním letadle několikrát obletěly Zemi a pak vykazovaly docela znatelné zpoždění za těmi hodinkami, které nikam neletěly. A to navzdory skutečnosti, že rychlost pohybu prvního vzorku hodin byla daleko od světla.
Další příklad: životnost mionů (těžkých elektronů) je delší. Tyto elementární částice jsou několik setkrát těžší než běžné částice, mají záporný náboj a vznikají v horní vrstvě zemské atmosféry v důsledkupůsobení kosmického záření. Rychlost jejich pohybu směrem k Zemi je jen o málo nižší než rychlost světla. Se svou skutečnou životností (2 mikrosekundy) by se rozpadly dříve, než by se dotkly povrchu planety. Ale v procesu létání žijí 15krát déle (30 mikrosekund) a přesto dosáhnou cíle.
Fyzická příčina paradoxu a výměny signálů
Fyzika vysvětluje paradox dvojčat přístupnějším jazykem. Během letu jsou oba bratři-dvojčata mimo dosah a nemohou prakticky zajistit, aby se jejich hodiny pohybovaly synchronizovaně. Je možné přesně určit, jak moc se pohyb cestovatelských hodin zpomalí, pokud analyzujeme signály, které si budou navzájem posílat. Toto jsou konvenční signály „přesného času“, vyjádřené jako světelné pulsy nebo video přenos ciferníku.
Musíte pochopit, že signál nebude vysílán v přítomném čase, ale již v minulosti, protože signál se šíří určitou rychlostí a přechod od zdroje k přijímači trvá určitou dobu.
Výsledek signálového dialogu je možné správně vyhodnotit pouze s přihlédnutím k Dopplerovu jevu: když se zdroj vzdálí od přijímače, frekvence signálu se sníží a při přiblížení se zvýší.
Formulování vysvětlení v paradoxních situacích
Existují dva hlavní způsoby, jak vysvětlit paradoxy těchto dvojčat:
- Pozornýzohlednění existujících logických konstrukcí pro rozpory a identifikace logických chyb v řetězci uvažování.
- Provádění podrobných výpočtů k vyhodnocení skutečnosti zpomalení času z pohledu každého z bratrů.
První skupina zahrnuje výpočtové výrazy založené na SRT a vepsané do inerciálních vztažných soustav. Zde se předpokládá, že momenty spojené se zrychlením pohybu jsou v poměru k celkové délce letu tak malé, že je lze zanedbat. V některých případech mohou zavést třetí inerciální vztažnou soustavu, která se pohybuje v opačném směru vzhledem k cestujícímu a slouží k přenosu dat z jeho hodinek na Zemi.
Druhá skupina zahrnuje výpočty postavené s ohledem na skutečnost, že stále existují momenty zrychleného pohybu. Tato skupina samotná se také dělí na dvě podskupiny: jedna využívá gravitační teorii (GR) a druhá nikoli. Pokud je zahrnuta obecná teorie relativity, pak se předpokládá, že rovnice obsahuje gravitační pole, které odpovídá zrychlení soustavy, a bere se v úvahu změna rychlosti času.
Závěr
Všechny diskuse související s pomyslným paradoxem jsou způsobeny pouze zdánlivou logickou chybou. Bez ohledu na to, jak jsou podmínky problému formulovány, nelze zajistit, aby se bratři ocitli ve zcela symetrických podmínkách. Je důležité vzít v úvahu, že čas se zpomaluje právě na pohyblivých hodinách, které musely projít změnou referenčních soustav, protožesimultánnost událostí je relativní.
Existují dva způsoby, jak vypočítat, o kolik se čas zpomalil z pohledu každého z bratrů: pomocí nejjednodušších akcí v rámci speciální teorie relativity nebo zaměřením na neinerciální vztažné soustavy. Výsledky obou řetězců výpočtů mohou být vzájemně konzistentní a stejně tak slouží k potvrzení, že čas plyne pomaleji na pohyblivých hodinách.
Na tomto základě lze předpokládat, že když se myšlenkový experiment přenese do reality, ten, kdo zaujme místo v domácnosti, skutečně zestárne rychleji než cestovatel.
