Paradoja de xemelgos (experimento de pensamento): explicación

O obxectivo principal do experimento de pensamento chamado "O paradoxo dos xemelgos" foi refutar a lóxica ea validez da teoría da relatividade especial (STR). Débese notar de inmediato que non hai dúbida de ningún paradoxo de feito, ea propia palabra aparece neste tema porque a esencia do experimento mental foi inicialmente incomprendida.

A idea principal da SRT

O paradoxo da teoría da relatividade (a paradoja dos xemelgos) di que un observador "estacionario" percibe que os procesos de movemento dos obxectos son máis lentos. De acordo coa mesma teoría, os marcos de referencia inercial (sistemas nos que o movemento dos corpos libres son rectilíneos e uniformes ou están en repouso) son iguais nos dereitos respecto de os outros.

Paradoja de xemelgos: brevemente

Tendo en conta o segundo postulado, xorde a suposición da inconsistencia da teoría especial da relatividade. Para resolver este problema visualmente, propúxose considerar a situación con dous irmáns xemelgos. Un (condicionalmente - viaxeiro) é enviado ao voo espacial, eo outro (homebody) queda no planeta Terra.

A redacción da paradoxa dos xemelgos en tales condicións xeralmente soa así: segundo o homebody, a hora do reloxo que ten o viaxeiro está movéndose máis lenta, o que significa que cando volve, o reloxo quedará atrás. O viaxeiro, pola contra, ve que a terra se move con respecto a el (sobre a que a homebody está co seu reloxo), e desde o seu punto de vista, é o tempo do seu irmán que irá máis lentamente.

De feito, ambos irmáns están en condicións iguais, o que significa que cando estean xuntos, o tempo será o mesmo nos seus reloxos. Ao mesmo tempo, segundo a teoría da relatividade, precisamente son as horas do irmán do viaxeiro que debe quedar atrás. Tal violación da simetría aparente foi considerada como unha inconsistencia das disposicións da teoría.

Paradoja de xemelgos da teoría da relatividade de Einstein

En 1905, Albert Einstein deriva un teorema que di que cando os pares de reloxos sincronizados están no punto A, un deles pode moverse ao longo dunha traxectoria curvilínea pechada a unha velocidade constante ata chegar ao punto A (e para iso Se gastarán, por exemplo, segundos t), pero no momento da chegada mostrarán un tempo máis curto que o reloxo que quedou inmóbil.

Seis anos despois, o estado da paradoja desta teoría foi dada por Paul Langevin. "Enrolado" nunha historia visual, pronto gañou popularidade ata entre as persoas lonxe da ciencia. Segundo o propio Langevin, as inconsistencias en teoría foron explicadas polo feito de que, volvendo á Terra, o viaxeiro movía a un ritmo acelerado.

Dous anos despois, Max von Laue presentou unha versión que non é significativa en todos os momentos de aceleración do obxecto, senón o feito de que cae noutro marco de referencia inercial cando se atopa na Terra.

Finalmente, en 1918, Einstein puido explicar a paradoja dos dous xemelgos a través da influencia do campo gravitacional sobre o fluxo de tempo.

Explicación da paradoja

A paradoxa de explicación de xemelgos é bastante sinxela: a suposición inicial de igualdade entre os dous cadros de referencia é incorrecta. O viaxeiro mantívose no marco de referencia inercial non todo o tempo (isto tamén se aplica á historia do reloxo).

Como consecuencia, moitos consideraron que unha teoría especial da relatividade non se pode empregar para formular correctamente a paradoja dos xemelgos; se non, obtéranse inconsistencias incompatibles entre si.

Todo foi resolto cando se creou a teoría da relatividade xeral. Ela deu unha solución exacta para a tarefa en cuestión e foi capaz de confirmar que a partir do par de reloxos sincronizados os que están en movemento estarán atrasados. Entón, inicialmente, a tarefa paradoxal foi clasificada como ordinaria.

Momentos controvertidos

Hai suxestións de que o tempo de aceleración é o suficientemente importante como para cambiar a velocidade do reloxo. Pero no transcurso de numerosos controis experimentais demostrouse que baixo a acción da aceleración o movemento do tempo non se acelerou nin se desacelerou.

Como resultado, o segmento da traxectoria, en que un dos irmáns acelerouse, só amosa certas asimetrías entre o viaxeiro eo homebody.

Pero esta afirmación non pode explicar por que o tempo é abrandado precisamente por un obxecto en movemento, e non polo que queda en repouso.

Proba de práctica

A paradoja dos xemelgos da fórmula e do teorema describe con precisión, pero é bastante difícil para unha persoa incompetente. Para aqueles que están máis inclinados a confiar na práctica, en lugar dos cálculos teóricos, realizáronse numerosos experimentos, cuxo propósito era demostrar ou refutar a teoría da relatividade.

Nun caso, usouse un reloxo atómico. Son extremadamente precisos e, para unha desincronización mínima, necesitarán máis dun millón de anos. Situados nun avión de pasaxeiros, voaron varias veces ao redor da Terra e despois mostraron un desfase bastante notable desde aquelas horas que non voaban en ningún outro lado. E iso a pesar de que a velocidade de movemento da primeira mostra do reloxo estaba lonxe da luz.

Outro exemplo: a vida máis longa dos muóns (electróns pesados). Estas partículas elementais son cen veces máis pesadas que o habitual, teñen unha carga negativa e están formadas na capa superior da atmosfera terrestre debido á acción dos raios cósmicos. A velocidade do seu movemento cara á Terra é só un pouco menor que a velocidade da luz. Coa súa verdadeira esperanza de vida (en 2 microsegundos), desfallecerían antes de tocar a superficie do planeta. Pero no proceso de voar, viven 15 veces máis (30 microsegundos) e aínda alcanzan o obxectivo.

A causa física da paradoja eo intercambio de sinais

A paradoxa de xemelgos explica a física e unha linguaxe máis accesible. Mentres o voo está en progreso, ambos irmáns xemelgos están fóra de alcance entre si e non poden, na práctica, verificar que os seus reloxos se movan sincronizados. É posible determinar exactamente o quão lento o movemento do viaxeiro analizando os sinais que se enviarán ao outro. Estes son sinais condicionados de "tempo preciso", expresados como pulsos de luz ou transmisión de video do reloxo do reloxo.

Debe entenderse que o sinal transmitirase non no tempo presente, senón no pasado, xa que a propagación do sinal prodúcese a un ritmo determinado e leva un certo tempo de pasar da fonte ao receptor.

Avaliación correcta do resultado do diálogo de sinal só se pode facer co efecto Doppler: cando se elimina a fonte do receptor, a frecuencia do sinal diminuirá e ao achegarse aumentará.

Formulación de explicacións en situacións paradoxales

Para explicar as paradojas das historias similares con xemelgos, pódense utilizar dous métodos principais:

1. Un exame minucioso das construcións lóxicas existentes para o suxeito de contradicións e a identificación de erros lóxicos na cadea de razonamiento.
2. Realización de cálculos detallados para avaliar o feito da inhibición do tempo desde o punto de vista de cada un dos irmáns.

O primeiro grupo inclúe expresións computacionais baseadas na SRT e inscritas en marcos de referencia inercial. Aquí enténdese que os momentos asociados coa aceleración do movemento son tan pequenos en relación á lonxitude total do voo que poden ser descoidados. Nalgúns casos, pódese introducir un terceiro sistema de referencia inercial que avanza no sentido oposto con respecto ao viaxeiro e se usa para transferir datos do seu reloxo á Terra.

O segundo grupo inclúe cálculos baseados no feito de que aínda hai momentos de movemento acelerado. Este grupo tamén se subdivide en dous subgrupos: un usa a teoría da gravidade (GTR), e a outra non. Se está implicado o GRT, implícase que o campo contén campo de gravidade, que corresponde á aceleración do sistema e ten en conta o cambio na velocidade do fluxo de tempo.

Conclusión

Todas as discusións relacionadas coa paradoxa imaxinaria débense só a un erro lóxico aparente. Non importa como se formulasen as condicións do problema, é imposible asegurar que os irmáns estean en condicións completamente simétricas. É importante ter en conta que o tempo está a diminuír precisamente nos reloxos móbiles, que tiñan que pasar polo cambio de cadros de referencia, porque a simultaneidade dos eventos é relativa.

Calcula o tempo que se desacelerou desde o punto de vista de cada un dos irmáns, de dúas maneiras: usando as accións máis simples no marco da teoría da relatividade especial ou centrándose en cadros de referencia non inercial. Os resultados dos dous circuítos de cálculo poden ser mutuamente consistentes e tamén servir para confirmar que o reloxo móbil é máis lento.

Nesta base, pódese supoñer que cando se transforma un experimento mental en realidade, o que ocupa a casa realmente vai envellecer máis rápido que o viaxeiro.