Наиболее известным парадоксом СТО является парадокс близнецов. Впервые парадокс был сформулирован в 1905 году Эйнштейном в статье «Об электродинамике движущихся тел». В форме парадокса этот эффект сформулировал в 1911 году Поль Ланжевен. Придание парадоксу наглядной истории космического путешествия сделало его популярным, в том числе и в ненаучных кругах. Сам Ланжевен считал, что объяснение парадокса связано с ускоренным движением путешественника, которое необходимо для его возвращения на Землю.
Следующим анализ парадокса предпринял Макс фон Лауэ в 1913 году. С его точки зрения важны не этапы ускорения путешественника, а сам факт смены им инерциальной системы отсчёта при возвращении на Землю.
После создания Общей теории относительности Альберт Эйнштейн в 1918 году объяснил парадокс при помощи факта влияния гравитационного поля на ход времени.
Затем, в 1921 году простое объяснение, основанное на инвариантности собственного времени, предложил Вольфганг Паули.
Некоторое время «парадокс близнецов» почти не привлекал к себе внимания. В 1956-59 гг. Герберт Дингл выступил с рядом статей, в которых утверждалось, что известные объяснения «парадокса» неверны. Несмотря на ошибочность аргументации Дингла, его работы вызвали многочисленные дискуссии в научных и научно-популярных журналах. В результате появился ряд книг, посвящённых этой теме.
Какое-то время даже считалось, что в рамках специальной теории относительности парадокс разрешить нельзя. Конечно, когда на теорию навалились математики, этот и другие парадоксы были разрешены. Но не зря Эйнштейн сам признавался, что с тех пор, как за теорию относительности принялись математики, он ее уже сам не понимает. Те объяснения парадокса, которые мне встречались, на мой взгляд, очень сложные. Далее я собираюсь изложить элементарное решение для парадокса. Мне оно кажется проще, хотя утверждать это я не берусь. Во всяком случае, раз оно мне кажется проще, возможно, покажется проще кому-то еще.
Содержание парадокса.
Живут-поживают два близнеца. Один из них решил отправиться в дальний космический полет. Со скоростью 150'000 км/сек. И взял с собой гаджет. Очень мощный гаджет, что с каждого места своего нахождения в космосе ежедневно отправляет свою фотографию своему брату на Земле. С указанием своего возраста в подписи. Ну и что вы думаете, какой возраст у него будет на фотографии?
Т.к. свет (и радиосигнал) распространяется в космосе с ограниченной скоростью 300'000 км/сек, то по мере отлета от Земли возраст брата по фотографии, с учетом отставания времени отправления фото от времени прихода фото к брату на Земле, брат будет выглядеть все более и более молодым. И скорость его старения меньше, чем у брата на Земле. Это естественно и понятно. Возражений, я думаю, не может быть.
Пролетев 17,32 лет в далекий Космос, брат решил вернуться обратно. Развернул свой корабль назад и полетел обратно с той же скоростью. Конечно, и в этом случае его возраст по фото все время будет меньше, чем у брата на Земле, но по мере приближения к Земле разница в возрасте начинает уменьшаться, т.е. он будет стареть (по фото, конечно) быстрее. Как вы думаете, каким будет его возраст при прилете на Землю? Правильный ответ – брат-космонавт при встрече оказался моложе брата на Земле: часы брата-домоседа показывают продолжительность его полета, равный 20 годам.
С т.з. обычного земного обывателя, не знакомого с законами физики больших скоростей, они должны иметь при встрече один и тот же возраст. Действительно, что этому может помешать? Время же течет одинаково, и какая бы ни была скорость движения (в автомобиле, самолете, даже ракете), часы ходят одинаково. Не зря мореплаватели брали с собой в далекое кругосветное плавание хронометры. И многие даже близкие к науке люди думают именно так и "доказывают" это.
Но доказательство доказательству рознь. Действительно, если считать, что наша Вселенная является тем, чем думали является вплоть до конца XIX века (в т.ч. и Ньютон), то этот "мысленный эксперимент" именно так бы и закончился. Но эпоха таких "думаний" закончилась с появлением специальной теории относительности Эйнштейна.
Согласно специальной теории относительности в движущейся системе отсчета время идет медленнее по сравнению с неподвижной. Поэтому космонавт, вернувшийся из далекого полета, который протекал при очень большой скорости (если скорость мала, эффект будет незаметен), будет моложе своего брата, остававшегося на Земле.
Но почему именно он оказался моложе? Ведь с другой стороны, с точки зрения брата-космонавта, брат на Земле тоже сначала удалялся, а потом приближался к нему. Следовательно, часы должны идти медленнее и у его брата, оставшегося на Земле. Выходит, что брат, который никуда не летал, и все это время оставался на Земле, должен при встрече быть моложе своего брата-космонавта. Но не могут оба брата быть одновременно один моложе другого в одном и том же месте в одно и то же время – возникает противоречие: оба брата должны иметь один возраст.
Разрешение парадокса.
Есть разные способы разрешения этого парадокса в рамках СТО. На самом деле никакого парадокса нет. Все дело в том, что брат-домосед, пока брат-космонавт летает на космическом корабле, все время остается в собственной инерциальной системе отсчета ( далее -с.о.) и не подвергается действим никаких сил, а брат–космонавт меняет свою траекторию движения, подвергаясь при этом воздействию внешних сил и ускорений: его движение не является инерциальным. Следовательно, с.о. двух братьев уже не равноценные. И оказывается, что
все дело в геометрии пространства, точнее, того пространства, в котором мы существуем. Время по часам в этом пространстве определяется не по координатам евклидова пространства + времени (как в абсолютном Ньютоновом пространстве), а по более сложной формуле по "длине мировой линии" (или "интервалу"), которые отсчитываются собственными часами(!) каждого из братьев.
Время, показываемое их собственными часами, складываются из интервалов dt (или ds) вдоль всей мировой линии (траектории) их движения. Рассмотрим рис.1. На этом рисунке мировой линией брата-домоседа является координатная прямая линия от точки O до точки C. Мировой линией брата-космонавта является кусочно-прямая линия OBC. Найдем собственные времена движения братьев.
Собственное время t, прошедшее у брата-домоседа, равняется координатному времени (см. рис.1):
t = t1 + t2 = 10+10=20 лет
Собственное время t', прошедшее у брата-космонавта, равняется собственному времени, складывающемуся из двух участков (см. рис.1):
t'1 = t1√(1-v'12/c2) = 20 √ (1-0.52) = 8.66 лет,
t'2 = t'1 = 8.66 лет,
t' = t'1 + t'2 = 8.66*2 = 17.32 лет
Сравним эти две времена:
t > t'~20>17.32,
что полностью доказывает отсутствие парадокса близнецов.
Правильность вывода об отсутствии парадокса близнецов проверена на эксперименте. Для этого проводились опыты по сравнению хода точных атомных часов, движущихся длительное время в самолете с часами, остававшимися на Земле. В результате оказалось, что часы в самолете отстали от часов на Земле.
Резюме. Думаю, что споры по интерпретации этого парадокса никогда не закончатся. По крайней мере, до тех пор, пока не будет поставлен прямой опыт. Приведенный выше довод по "атомным часам" до сих пор не убеждает противников этой теории.
Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу на мышке, выберите "Искать в ...", далее - "Yandex". Все! О-ля-ля!