Glavna svrha misaonog eksperimenta nazvanog "Paradoks blizanaca" bila je opovrgnuti logiku i valjanost posebne teorije relativnosti (SRT). Vrijedi odmah spomenuti da zapravo nema govora ni o kakvom paradoksu, a sama riječ pojavljuje se u ovoj temi jer je suština misaonog eksperimenta u početku bila pogrešno shvaćena.
Glavna ideja SRT-a
Paradoks teorije relativnosti (paradoks blizanaca) navodi da "stacionarni" promatrač procese kretanja objekata doživljava kao usporavanje. U skladu s istom teorijom, inercijski referentni okviri (okviri u kojima se gibanje slobodnih tijela odvija pravocrtno i jednoliko, ili miruju) su međusobno jednaki.
Paradoks blizanaca ukratko
Uzimajući u obzir drugi postulat, postoji pretpostavka o nekonzistentnosti specijalne teorije relativnosti. Dopustitiovaj problem jasno, predloženo je razmotriti situaciju s dva brata blizanca. Jedan (uvjetno - putnik) je poslan na svemirski let, a drugi (domaćin) je ostavljen na planeti Zemlji.
Formulacija paradoksa blizanaca u takvim uvjetima obično zvuči ovako: prema boravku kod kuće, vrijeme na satu koje ima putnik teče sporije, što znači da kada se vrati, njegovo (putnikov) sat će zaostati. Putnik, naprotiv, vidi da se Zemlja pomiče u odnosu na njega (na kojem se nalazi kućni dom sa svojim satom), a s njegove točke gledišta, njegov brat će sporije prolaziti vrijeme.
Zapravo, oba brata su u jednakim uvjetima, što znači da kada su zajedno, vrijeme na njihovim satovima će biti isto. U isto vrijeme, prema teoriji relativnosti, sat brata-putnika trebao bi zaostati. Takvo kršenje prividne simetrije smatralo se nedosljednošću u odredbama teorije.
Paradoks blizanaca iz Einsteinove teorije relativnosti
Godine 1905. Albert Einstein je izveo teorem koji kaže da kada se par satova sinkroniziranih jedan s drugim nalazi u točki A, jedan od njih se može kretati duž zakrivljene zatvorene putanje konstantnom brzinom sve dok ponovo ne dosegne točku A (i to će trajati npr. t sekundi), ali u trenutku dolaska pokazat će manje vremena od sata koji je ostao nepomičan.
Šest godina kasnije, paradoksalni status ove teorijepružio Paul Langevin. “Umotana” u vizualnu priču, ubrzo je stekla popularnost i među ljudima daleko od znanosti. Prema samom Langevinu, nedosljednosti u teoriji objašnjene su činjenicom da se, vraćajući se na Zemlju, putnik kretao ubrzano.
Dvije godine kasnije, Max von Laue iznio je verziju da nisu važni momenti ubrzanja objekta, već činjenica da on pada u drugačiji inercijski referentni okvir kada je na Zemlji.
Konačno, 1918. godine, Einstein je uspio objasniti paradoks dvojice blizanaca sam kroz utjecaj gravitacijskog polja na protok vremena.
Objašnjenje paradoksa
Paradoks blizanaca ima prilično jednostavno objašnjenje: početna pretpostavka o jednakosti između dva referentna okvira je pogrešna. Putnik nije cijelo vrijeme ostao u inercijskom referentnom okviru (isto vrijedi i za priču sa satom).
Kao rezultat toga, mnogi su smatrali da se posebna teorija relativnosti ne može koristiti za ispravno formuliranje paradoksa blizanaca, inače bi rezultirala nekompatibilna predviđanja.
Sve je bilo riješeno kada je stvorena opća teorija relativnosti. Dala je točno rješenje za problem i uspjela je potvrditi da će od para sinkroniziranih satova zaostati oni u pokretu. Tako je prvobitno paradoksalan zadatak dobio status običnog.
Kontroverzna pitanja
Postoje prijedlozi kojitrenutak ubrzanja je dovoljno značajan da promijeni brzinu sata. No, tijekom brojnih eksperimentalnih ispitivanja, dokazano je da se pod utjecajem ubrzanja kretanje vremena ne ubrzava niti usporava.
Kao rezultat toga, segment putanje, na kojem je jedan od braće ubrzao, pokazuje samo neku asimetriju koja se javlja između putnika i doma.
Ali ova izjava ne može objasniti zašto se vrijeme usporava za objekt koji se kreće, a ne za nešto što miruje.
Test vježbanjem
Formule i teoremi paradoksa blizanaca točno opisuju, ali je to prilično teško za nesposobnu osobu. Za one koji su skloniji vjerovati praksi, a ne teoretskim izračunima, provedeni su brojni eksperimenti, čija je svrha bila dokazati ili opovrgnuti teoriju relativnosti.
U jednom slučaju korišten je atomski sat. Vrlo su točni, a za minimalnu desinhronizaciju trebat će im više od milijun godina. Smješteni u putnički avion, nekoliko su puta obišli Zemlju i tada pokazali prilično zamjetan zaostatak za onim satovima koji nikamo nisu letjeli. I to unatoč činjenici da je brzina kretanja prvog uzorka sata bila daleko od svjetlosti.
Još jedan primjer: život miona (teških elektrona) je duži. Te su elementarne čestice nekoliko stotina puta teže od običnih čestica, imaju negativan naboj i nastaju u gornjem sloju Zemljine atmosfere zbogdjelovanje kozmičkih zraka. Brzina njihova kretanja prema Zemlji tek je malo inferiorna brzini svjetlosti. Sa svojim pravim životnim vijekom (2 mikrosekunde), oni bi se raspali prije nego što bi dotakli površinu planeta. Ali u procesu letenja, oni žive 15 puta duže (30 mikrosekundi) i još uvijek dosegnu cilj.
Fizički uzrok paradoksa i razmjene signala
Fizika objašnjava paradoks blizanaca na pristupačnijem jeziku. Tijekom leta, oba brata blizanca su izvan dometa jedan za drugoga i praktički ne mogu osigurati da im se satovi pomiču sinkronizirano. Koliko se točno usporava pomicanje putnikovih satova moguće je utvrditi ako analiziramo signale koje će jedni drugima slati. Ovo su konvencionalni signali "točnog vremena", izraženi kao svjetlosni impulsi ili video prijenos brojčanika sata.
Morate razumjeti da se signal neće prenositi u sadašnjem vremenu, već u prošlosti, budući da se signal širi određenom brzinom i potrebno je određeno vrijeme da prijeđe od izvora do prijemnika.
Moguće je ispravno procijeniti rezultat dijaloga signala samo uzimajući u obzir Dopplerov učinak: kada se izvor udalji od prijemnika, frekvencija signala će se smanjiti, a kada se približi, povećat će se.
Formuliranje objašnjenja u paradoksalnim situacijama
Postoje dva glavna načina za objašnjenje paradoksa ovih priča o blizancima:
- Pažljivorazmatranje postojećih logičkih konstrukcija za proturječnosti i prepoznavanje logičkih pogrešaka u lancu zaključivanja.
- Izvođenje detaljnih izračuna za procjenu činjenice usporavanja vremena sa stajališta svakog od braće.
Prva skupina uključuje računske izraze temeljene na SRT-u i upisane u inercijalne referentne okvire. Ovdje se pretpostavlja da su momenti povezani s ubrzanjem gibanja toliko mali u odnosu na ukupnu duljinu leta da se mogu zanemariti. U nekim slučajevima, oni mogu uvesti treći inercijski referentni okvir, koji se kreće u suprotnom smjeru u odnosu na putnika i koristi se za prijenos podataka s njegovog sata na Zemlju.
Druga skupina uključuje proračune izgrađene uzimajući u obzir činjenicu da su momenti ubrzanog kretanja još uvijek prisutni. Sama ova skupina također je podijeljena u dvije podskupine: jedna koristi teoriju gravitacije (GR), a druga ne. Ako se radi o općoj relativnosti, tada se pretpostavlja da jednadžba sadrži gravitacijsko polje, koje odgovara ubrzanju sustava, te se uzima u obzir promjena brzine vremena.
Zaključak
Sve rasprave vezane uz imaginarni paradoks su samo zbog prividne logičke pogreške. Bez obzira kako se formuliraju uvjeti problema, nemoguće je osigurati da se braća nađu u potpuno simetričnim uvjetima. Važno je uzeti u obzir da se vrijeme usporava upravo na pokretnim satovima, koji su morali proći kroz promjenu referentnih okvira, jeristovremenost događaja je relativna.
Postoje dva načina da se izračuna koliko se vrijeme usporilo s gledišta svakog od braće: korištenjem najjednostavnijih radnji u okviru posebne teorije relativnosti ili fokusiranjem na neinercijalne referentne okvire. Rezultati oba lanca izračuna mogu biti međusobno konzistentni i jednako služe za potvrdu da vrijeme prolazi sporije na satu koji se kreće.
Na temelju toga može se pretpostaviti da će, kada se misaoni eksperiment prenese u stvarnost, onaj koji zauzme mjesto kućnog ljubimca doista stariti brže od putnika.
