Az "ikerparadoxon" nevű gondolatkísérlet fő célja az volt, hogy megcáfolja a speciális relativitáselmélet (SRT) logikáját és érvényességét. Azonnal érdemes megemlíteni, hogy valójában szó sincs paradoxonról, és maga a szó azért jelenik meg ebben a témában, mert a gondolatkísérlet lényegét kezdetben félreértették.
Az SRT fő ötlete
A relativitáselmélet paradoxona (az iker-paradoxon) azt állítja, hogy a „stacionárius” megfigyelő a tárgyak mozgásának folyamatait lelassulónak érzékeli. Ugyanezen elmélet szerint az inerciális vonatkoztatási rendszerek (azok a keretek, amelyekben a szabad testek mozgása egyenes vonalban és egyenletesen megy végbe, vagy nyugalomban vannak) egyenlők egymáshoz képest.
Az ikerparadoxon röviden
A második posztulátumot figyelembe véve van egy feltételezés a speciális relativitáselmélet inkonzisztenciájáról. MegengedniEzt a problémát egyértelműen javasolták két ikertestvérrel való helyzet mérlegelésére. Az egyiket (feltételesen – egy utazót) űrrepülésre küldik, a másikat (egy otthoni testet) a Földön hagyják.
Az iker-paradoxon megfogalmazása ilyen körülmények között általában így hangzik: az otthon maradás szerint az utazó óránkénti ideje lassabban halad, ami azt jelenti, hogy amikor visszatér, a (az utazó) órája elmarad. Az utazó éppen ellenkezőleg, azt látja, hogy a Föld hozzá képest mozog (amelyen otthon van az órájával), és az ő szemszögéből a bátyja az, aki lassabban múlatja az időt.
Tény, hogy mindkét testvér egyenlő körülmények között van, ami azt jelenti, hogy amikor együtt vannak, az órájukon ugyanaz lesz az idő. Ugyanakkor a relativitáselmélet szerint az utazó testvér órájának kell lemaradnia. A látszólagos szimmetria ilyen megsértését az elmélet rendelkezései közötti következetlenségnek tekintették.
Ikerparadoxon Einstein relativitáselméletéből
1905-ben Albert Einstein levezetett egy tételt, amely kimondja, hogy amikor az egymással szinkronizált órapár az A pontban van, akkor az egyikük egy görbe zárt pályán állandó sebességgel mozoghat, amíg ismét el nem éri a pontot. A (és ez pl. t másodpercet vesz igénybe), de az érkezés pillanatában kevesebb időt fognak mutatni, mint a mozdulatlan óra.
Hat évvel később ennek az elméletnek a paradox státuszaPaul Langevin nyújtotta. Vizuális történetbe "csomagolva" hamar népszerűségre tett szert a tudománytól távol állók körében is. Langevin maga szerint az elmélet ellentmondásait azzal magyarázták, hogy a Földre visszatérve az utazó felgyorsult.
Két évvel később Max von Laue egy olyan verziót terjesztett elő, amely szerint egy objektumnak nem a gyorsulási nyomatékai a lényegesek, hanem az a tény, hogy a Földön tartózkodva egy másik tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerbe esik.
Végül 1918-ban Einstein maga is meg tudta magyarázni a két iker paradoxonát a gravitációs mezőnek az idő múlására gyakorolt hatására.
A paradoxon magyarázata
Az ikerparadoxonnak meglehetősen egyszerű magyarázata van: a két vonatkoztatási rendszer közötti egyenlőség kezdeti feltételezése téves. Az utazó nem maradt állandóan az inerciális vonatkoztatási rendszerben (ugyanez vonatkozik az órával kapcsolatos történetre is).
Ennek eredményeként sokan úgy érezték, hogy a speciális relativitáselmélet nem használható az ikerparadoxon helyes megfogalmazására, különben összeegyeztethetetlen előrejelzések születnének.
Az általános relativitáselmélet megalkotásával minden megoldódott. Pontos megoldást adott a problémára, és meg tudta erősíteni, hogy a szinkronizált órapár közül a mozgásban lévők maradnak le. Így a kezdetben paradox feladat a hétköznapi státuszt kapta.
Vitatott kérdések
Vannak olyan javaslatok, amelyeka gyorsulás pillanata elég jelentős ahhoz, hogy megváltoztassa az óra sebességét. De számos kísérleti teszt során bebizonyosodott, hogy a gyorsulás hatására az idő mozgása nem gyorsul és nem lassul.
Ennek eredményeképpen a pálya azon szakasza, amelyen az egyik testvér felgyorsult, csak némi aszimmetriát mutat, ami az utazó és az otthona között fellép.
De ez az állítás nem magyarázza meg, hogy miért lassul le az idő egy mozgó objektum esetében, és nem valaminél, ami nyugalomban marad.
Gyakorlati teszt
Az ikerparadox képletek és tételek pontosan leírják, de ez elég nehéz egy hozzá nem értő embernek. Azok számára, akik inkább a gyakorlatban bíznak, mint az elméleti számításokban, számos kísérletet végeztek, amelyek célja a relativitáselmélet bizonyítása vagy megcáfolása volt.
Egy esetben atomórát használtak. Nagyon pontosak, és a minimális deszinkronizáláshoz több mint egymillió évre lesz szükségük. Egy utasszállító repülőgépbe helyezve többször megkerülték a Földet, majd meglehetősen érezhető lemaradást mutattak azokhoz az órákhoz képest, amelyek nem repültek sehova. És ez annak ellenére, hogy az óra első mintájának mozgási sebessége messze volt a fénytől.
Másik példa: a müonok (nehéz elektronok) élettartama hosszabb. Ezek az elemi részecskék több százszor nehezebbek, mint a közönséges részecskék, negatív töltésűek, és a föld légkörének felső rétegében keletkeznek.kozmikus sugarak hatása. A Föld felé való mozgásuk sebessége csak valamivel alacsonyabb, mint a fénysebesség. Valódi élettartamukkal (2 mikroszekundum) már azelőtt elbomlani, hogy megérintették volna a bolygó felszínét. De a repülés során 15-ször tovább élnek (30 mikroszekundum), és még mindig elérik a célt.
A paradoxon és a jelcsere fizikai oka
A fizika egy érthetőbb nyelven magyarázza el az ikerparadoxont. A repülés során mindkét ikertestvér hatótávolságon kívül van egymás számára, és gyakorlatilag nem tudják megbizonyosodni arról, hogy az óráik szinkronban mozognak. Pontosan meghatározható, hogy az utazó óráinak mozgása mennyire lassul le, ha elemezzük az egymásnak küldött jeleket. Ezek a "pontos idő" hagyományos jelei, amelyeket fényimpulzusok vagy az óra számlapjának videoátviteleként fejeznek ki.
Meg kell értened, hogy a jel nem jelen időben, hanem már a múltban kerül továbbításra, mivel a jel egy bizonyos sebességgel terjed, és bizonyos ideig tart, amíg a forrástól a vevőig eljut.
A jeldialógus eredményét csak a Doppler-effektus figyelembevételével lehet helyesen kiértékelni: amikor a forrás eltávolodik a vevőtől, a jel frekvenciája csökken, közeledéskor pedig nő.
Magyarázat megfogalmazása paradox helyzetekben
Két fő módja van az ikertörténetek paradoxonainak magyarázatának:
- Figyelema meglévő logikai konstrukciók ellentmondásainak figyelembevétele és a logikai hibák azonosítása az érvelési láncban.
- Részletes számítások elvégzése az időlassulás tényének értékelésére az egyes testvérek szempontjából.
Az első csoportba tartoznak az SRT-n alapuló és inerciális vonatkoztatási rendszerbe írt számítási kifejezések. Itt azt feltételezzük, hogy a mozgás gyorsulásához kapcsolódó nyomatékok olyan kicsik a teljes repülési hosszhoz képest, hogy elhanyagolhatóak. Egyes esetekben bevezethetnek egy harmadik inerciális vonatkoztatási rendszert, amely az utazóhoz képest ellenkező irányba mozog, és az órájáról a Földre való adatok továbbítására szolgál.
A második csoportba azok a számítások tartoznak, amelyek figyelembe veszik, hogy a gyorsított mozgás pillanatai még mindig jelen vannak. Maga ez a csoport is két alcsoportra oszlik: az egyik a gravitációs elméletet (GR) használja, a másik nem. Ha az általános relativitáselméletről van szó, akkor feltételezzük, hogy az egyenlet tartalmazza a gravitációs mezőt, amely megfelel a rendszer gyorsulásának, és figyelembe veszi az idő sebességének változását.
Következtetés
A képzeletbeli paradoxonnal kapcsolatos minden vita csupán egy látszólagos logikai hibára vezethető vissza. Bárhogyan is fogalmazzák meg a probléma feltételeit, lehetetlen biztosítani, hogy a testvérek teljesen szimmetrikus körülmények közé kerüljenek. Fontos figyelembe venni, hogy az idő éppen a mozgó órákon lassul, amelyeknek vonatkoztatási rendszerváltáson kellett keresztülmenniük, mertaz események egyidejűsége relatív.
Kétféleképpen lehet kiszámítani, hogy mennyivel lassult le az idő az egyes testvérek szempontjából: a legegyszerűbb cselekvésekkel a speciális relativitáselmélet keretein belül, vagy a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekre összpontosítva.. A két számítási lánc eredménye kölcsönösen konzisztens lehet, és egyformán alátámasztja, hogy az idő lassabban telik egy mozgó órán.
Ezen az alapon feltételezhető, hogy amikor a gondolatkísérletet átültetjük a valóságba, az, aki átveszi az otthonlakó helyét, valóban gyorsabban megöregszik, mint az utazó.
