Понятие "парадокс близнецов" - это теоретический физический опыт, с помощью которого сегодня стремятся отметить противоречивость в некоторых аспектах специальной теории относительности, введенной известным ученым-физиком Альбертом Эйнштейном. В этой статье мы разберемся, в чем заключается данный парадокс: если верить ему, люди могут совершать путешествия в реальном времени.
Мысленный эксперимент
Парадокс близнецов - это мысленный эксперимент, который демонстрирует любопытное проявление замедления времени в современной физике, которое было введено Альбертом Эйнштейном, доказавшим теорию относительности.
Чтобы объяснить суть этого понятия, берут за основу двух близнецом. Допустим, их зовут Бифф и Клифф.
В свой 20-й день рождения Бифф решает сесть в космический корабль и отправиться в космос. Предположим, он сможет путешествовать со скоростью света. В полете он проводит пять лет. Когда возвращается обратно на Землю, ему 25 лет.
Все это время его брат-близнец Клифф, который никуда не улетал, остается дома. Правда, Биффа он встречает в возрасте 95 лет.
Как такое происходит?
Согласно теории относительности, две системы отсчета, которые движутся по-разному относительно друг друга, по-разному воспринимают время. Это процесс, известный как замедление времени.
Поскольку Бифф двигался очень быстро, со скоростью света, время фактически двигалось медленнее для него.
Это можно точно рассчитать, используя преобразования Лоренца, которые являются стандартной частью теории относительности.
Логический парадокс
Интересно, что парадокс близнецов оказывается не столько научным (физическим), сколько логическим. Ответим на вопрос: сколько лет Биффу?
Кажется, ответ очевиден: для Биффа прошли только 25 лет жизни. Но он родился в тот же момент, что и Клифф. То есть 90 лет назад. Так сколько лет ему получается: 25 или 90?
Это случай, когда правильными являются оба варианта ответа. Все зависит от того, как вы измеряете возраст.
Согласно его водительскому удостоверению, которое измеряет время на Земле, ему 90 лет. Согласно состоянию его тела - только 25.
Второй парадокс близнецов
Второй парадокс технический. Он действительно дает понять, что имеют в виду физики, когда говорят о теории относительности. Весь сценарий основан на идее, что Бифф путешествовал очень быстро, поэтому время для него замедлилось.
Проблема в том, что при этом задействовано только относительное движение. Так что, если вы рассматривали вещи с точки зрения Биффа, то он все время оставался неподвижным. Тогда именно Клифф удалялся от него на высоких скоростях. Но разве вычисления, проводимые таким образом, не должны означать, что Клифф стареет медленнее? Разве относительность не означает, что эти ситуации развиваются симметрично?
Если бы Бифф и Клифф находились на космических кораблях, движущихся с постоянной скоростью в противоположных направлениях, этот аргумент был бы совершенно верным. Правила специальной теории относительности, которые управляют постоянными (инерционными) системами отсчета, указывают на то, что имеет значение только относительное движение между ними.
На самом деле, если вы двигаетесь с постоянной скоростью, то не сможете провести эксперимент в рамках своей системы координат, который бы отличал вас от состояния покоя. Даже если вы посмотрели за пределы корабля и сравнили себя с какой-то другой постоянной системой отсчета, вы можете определить только то, что один из вас находится в движении, но не вы оба.
Здесь есть один важный нюанс. Бифф ускоряется во время этого процесса. Клифф находится на Земле, которая преимущественно остается в состоянии покоя. Хотя в действительности Земля движется (вращается) и ускоряется различными способами, но ее скорость при этом не сопоставима со скоростью света.
Бифф находится на космическом корабле, который подвергается интенсивному ускорению, сравнимому со скоростью света. Это означает, согласно общей теории относительности, что на самом деле Бифф может провести физические эксперименты, которые покажут ему, что он ускоряется. Те же эксперименты покажут Клиффу, что он не ускоряется или, по крайней мере, ускоряется с гораздо меньшей скоростью, чем Бифф.
Ключевая особенность парадокса заключается в том, что, хотя Клифф находится в одной системе отсчета все время, Бифф фактически находится в двух системах отсчета: в той, в которой он путешествует в космосе, и в той, в которой возвращается на Землю.
Таким образом, ситуации Биффа и Клиффа на самом деле не могут считаться симметричными. Бифф подвергается более значительному ускорению.
История парадокса близнецов
Этот парадокс был впервые представлен в 1911 году Полем Ланжевеном. При этом основной акцент был сделан на идее, что само ускорение являлось ключевым элементом, вызвавшим это различие.
Поэтому, по мнению Ланжевена, ускорение имело абсолютное значение. Тем не менее в 1913 году Макс фон Лауэ продемонстрировал, что двух систем отсчета достаточно, чтобы объяснить различие без учета самого ускорения.