Hovedformålet med tankeeksperimentet kaldet "Tvillingparadoks" var at tilbagevise logikken og gyldigheden af den særlige relativitetsteori (SRT). Det er værd at nævne med det samme, at der faktisk ikke er tale om noget paradoks, og selve ordet optræder i dette emne, fordi essensen af tankeeksperimentet oprindeligt blev misforstået.
Hovedidé med SRT
Paradokset i relativitetsteorien (tvillingeparadokset) siger, at en "stationær" iagttager opfatter processerne med at flytte objekter som langsommere. I overensstemmelse med samme teori er inerti-referencerammer (rammer, hvor bevægelsen af frie legemer sker i en lige linje og ensartet, eller de er i hvile) ens i forhold til hinanden.
Tvillingeparadokset kort fort alt
Med hensyn til det andet postulat er der en antagelse om inkonsistensen af den særlige relativitetsteori. At tilladedette problem klart, blev det foreslået at overveje situationen med to tvillingebrødre. Den ene (betinget - en rejsende) sendes på en rumflyvning, og den anden (en hjemmekrop) efterlades på planeten Jorden.
Formuleringen af tvillingeparadokset under sådanne forhold lyder sædvanligvis sådan: ifølge den hjemmeværende, går tiden på uret, som den rejsende har, langsommere, hvilket betyder, at når han vender tilbage, vil hans (den rejsendes) ur vil sakke bagud. Den rejsende ser tværtimod, at Jorden bevæger sig i forhold til ham (hvorpå der er en hjemmemand med sit ur), og fra hans synspunkt er det hans bror, der vil fordrive tiden langsommere.
Faktisk er begge brødre i lige forhold, hvilket betyder, at når de er sammen, vil tiden på deres ure være den samme. Samtidig er det ifølge relativitetsteorien broder-rejsendes ur, der burde komme bagud. En sådan krænkelse af den tilsyneladende symmetri blev betragtet som en inkonsekvens i teoriens bestemmelser.
Tvillingparadoks fra Einsteins relativitetsteori
I 1905 udledte Albert Einstein en sætning, der siger, at når et par ure, der er synkroniseret med hinanden, er ved punkt A, kan et af dem bevæge sig langs en buet lukket bane med konstant hastighed, indtil de igen når punktet A (og dette vil f.eks. tage t sekunder), men i ankomstøjeblikket vil de vise mindre tid end det ur, der forblev ubevægeligt.
Seks år senere, denne teoris paradoksale statusleveret af Paul Langevin. "Indviklet" i en visuel historie vandt den hurtigt popularitet selv blandt folk langt fra videnskaben. Ifølge Langevin selv blev uoverensstemmelserne i teorien forklaret med, at den rejsende, da han vendte tilbage til Jorden, bevægede sig med en accelereret hastighed.
To år senere fremlagde Max von Laue en version om, at det ikke er accelerationsmomenterne for et objekt, der er væsentlige, men det faktum, at det falder ind i en anden inerti-referenceramme, når det er på Jorden.
Endelig, i 1918, var Einstein i stand til selv at forklare paradokset ved to tvillinger gennem gravitationsfeltets indflydelse på tidens gang.
Forklaring af paradokset
Tvillingparadokset har en ret simpel forklaring: den oprindelige antagelse om lighed mellem de to referencerammer er forkert. Den rejsende opholdt sig ikke i den inertiske referenceramme hele tiden (det samme gælder historien med uret).
Som et resultat følte mange, at den særlige relativitetsteori ikke kunne bruges til at formulere tvillingeparadokset korrekt, ellers ville der opstå uforenelige forudsigelser.
Alt blev løst, da den generelle relativitetsteori blev skabt. Hun gav den nøjagtige løsning på det aktuelle problem og var i stand til at bekræfte, at ud af et par synkroniserede ure, var det dem i bevægelse, der ville komme bagud. Så den oprindeligt paradoksale opgave fik status som en almindelig opgave.
Kontroversielle spørgsmål
Der er forslag til detaccelerationsmomentet er signifikant nok til at ændre urets hastighed. Men i løbet af adskillige eksperimentelle test blev det bevist, at under påvirkning af acceleration accelererer eller bremser tidens bevægelse ikke.
Som et resultat viser det segment af banen, som en af brødrene accelererede på, kun en vis asymmetri, der opstår mellem den rejsende og hjemmekroppen.
Men denne udtalelse kan ikke forklare, hvorfor tiden går langsommere for et objekt i bevægelse og ikke for noget, der forbliver i ro.
Test ved praksis
Tvillingparadoksformlerne og -sætningerne beskriver nøjagtigt, men det er ret svært for en inkompetent person. For dem, der er mere tilbøjelige til at stole på praksis frem for teoretiske beregninger, er der blevet udført adskillige eksperimenter, hvis formål var at bevise eller modbevise relativitetsteorien.
I et tilfælde blev der brugt et atomur. De er meget nøjagtige, og for et minimum af desynkronisering vil de have brug for mere end en million år. Placeret i et passagerfly cirklede de flere gange rundt om Jorden og viste derefter en ganske mærkbar forsinkelse bag de ure, der ikke fløj nogen steder. Og dette til trods for, at bevægelseshastigheden for den første prøve af uret var langt fra lys.
Et andet eksempel: livet for myoner (tunge elektroner) er længere. Disse elementarpartikler er flere hundrede gange tungere end almindelige partikler, har negativ ladning og dannes i det øverste lag af jordens atmosfære pga.virkning af kosmiske stråler. Hastigheden af deres bevægelse mod Jorden er kun lidt ringere end lysets hastighed. Med deres sande levetid (2 mikrosekunder) ville de være forfaldet, før de rørte ved planetens overflade. Men i færd med at flyve lever de 15 gange længere (30 mikrosekunder) og når stadig målet.
Fysisk årsag til paradoks og signaludveksling
Fysik forklarer tvillingeparadokset på et mere tilgængeligt sprog. Under flyvningen er begge tvillingebrødre uden for rækkevidde for hinanden og kan praktisk t alt ikke sikre sig, at deres ure bevæger sig synkront. Det er muligt at bestemme præcist, hvor meget bevægelsen af den rejsendes ure bremser, hvis vi analyserer de signaler, de vil sende til hinanden. Disse er konventionelle signaler af "nøjagtig tid", udtrykt som lysimpulser eller videotransmission af urskiven.
Du skal forstå, at signalet ikke vil blive transmitteret i nutid, men allerede i fortiden, da signalet forplanter sig med en bestemt hastighed, og det tager en vis tid at passere fra kilden til modtageren.
Det er muligt at evaluere resultatet af signaldialogen korrekt under hensyntagen til Doppler-effekten: Når kilden bevæger sig væk fra modtageren, vil signalfrekvensen falde, og når den nærmes, vil den stige.
Formulering af en forklaring i paradoksale situationer
Der er to hovedmåder at forklare paradokserne i disse tvillingehistorier:
- Opmærksomovervejelse af eksisterende logiske konstruktioner for modsigelser og identifikation af logiske fejl i ræsonnementets kæde.
- Udførelse af detaljerede beregninger for at evaluere kendsgerningen af tidsdeceleration fra hver af brødrenes synspunkt.
Den første gruppe inkluderer beregningsudtryk baseret på SRT og indskrevet i inerti-referencerammer. Det antages her, at momenterne forbundet med bevægelsesaccelerationen er så små i forhold til den samlede flyvlængde, at de kan negligeres. I nogle tilfælde kan de indføre en tredje inertiereferenceramme, som bevæger sig i den modsatte retning i forhold til den rejsende og bruges til at overføre data fra hans ur til Jorden.
Den anden gruppe inkluderer beregninger, der er bygget under hensyntagen til, at momenter med accelereret bevægelse stadig er til stede. Selve denne gruppe er også opdelt i to undergrupper: den ene bruger gravitationsteorien (GR), og den anden gør ikke. Hvis generel relativitet er involveret, så antages det, at ligningen indeholder gravitationsfeltet, som svarer til systemets acceleration, og ændringen i tidens hastighed tages i betragtning.
Konklusion
Alle diskussioner relateret til det imaginære paradoks skyldes kun en tilsyneladende logisk fejl. Uanset hvordan betingelserne for problemet er formuleret, er det umuligt at sikre, at brødrene befinder sig i fuldstændig symmetriske forhold. Det er vigtigt at tænke på, at tiden går langsommere netop på bevægelige ure, som skulle gennemgå en ændring i referencerammer, pga.samtidighed af begivenheder er relativ.
Der er to måder at beregne, hvor meget tid der er blevet langsommere set fra hver af brødrenes synspunkt: ved at bruge de enkleste handlinger inden for rammerne af den særlige relativitetsteori eller at fokusere på ikke-inertielle referencerammer. Resultaterne af begge beregningskæder kan være indbyrdes konsistente og på samme måde tjene til at bekræfte, at tiden går langsommere på et ur i bevægelse.
På dette grundlag kan det antages, at når tankeeksperimentet overføres til virkeligheden, vil den, der træder i stedet for et hjemmemenneske, faktisk blive gammel hurtigere end den rejsende.
