هدف اصلی آزمایش فکری به نام "پارادوکس دوقلو" رد منطق و اعتبار نظریه نسبیت خاص (SRT) بود. شایان ذکر است که در واقع هیچ بحث تناقضی وجود ندارد و خود کلمه در این مبحث ظاهر می شود زیرا ماهیت آزمایش فکری در ابتدا اشتباه فهمیده شد.
ایده اصلی SRT
پارادوکس نظریه نسبیت (پارادوکس دوقلو) بیان می کند که یک ناظر "ایستا" فرآیندهای اجسام متحرک را به عنوان کاهش سرعت درک می کند. مطابق با همین نظریه، چارچوب‌های مرجع اینرسی (قاب‌هایی که حرکت اجسام آزاد در یک خط مستقیم و یکنواخت انجام می‌شود یا در حال سکون هستند) نسبت به یکدیگر برابر هستند.
به طور خلاصه پارادوکس دوقلو
با در نظر گرفتن فرض دوم، فرضی در مورد ناسازگاری نظریه نسبیت خاص وجود دارد. اجازه دادناین مشکل به وضوح، پیشنهاد شد که وضعیت دو برادر دوقلو در نظر گرفته شود. یکی (مشروط - یک مسافر) به یک پرواز فضایی فرستاده می شود و دیگری (یک جسم خانگی) در سیاره زمین رها می شود.
فرمول پارادوکس دوقلو در چنین شرایطی معمولاً اینگونه به نظر می رسد: با توجه به خانه نشینی، زمان ساعتی که مسافر دارد کندتر حرکت می کند، به این معنی که وقتی او برمی گردد، ساعت مسافرتی عقب خواهد ماند. برعکس، مسافر می بیند که زمین نسبت به او در حال حرکت است (که روی آن یک خانه با ساعتش است) و از دید او این برادرش است که زمان را آهسته تر می گذراند.
در واقع هر دو برادر در شرایط مساوی هستند، به این معنی که وقتی آنها با هم هستند، ساعت آنها یکسان است. در عین حال، طبق نظریه نسبیت، این ساعت برادر مسافر است که باید عقب بیفتد. چنین نقض تقارن ظاهری به عنوان ناهماهنگی در مفاد نظریه تلقی شد.
پارادوکس دوقلو از نظریه نسبیت انیشتین
در سال 1905، آلبرت انیشتین قضیه ای را استنباط کرد که بیان می کند وقتی یک جفت ساعت با یکدیگر همگام شده اند در نقطه A هستند، یکی از آنها می تواند در امتداد یک مسیر منحنی بسته با سرعت ثابت حرکت کند تا زمانی که دوباره به نقطه برسند. A (و این به عنوان مثال، t ثانیه طول می کشد)، اما در لحظه ورود، زمان کمتری نسبت به ساعتی که بی حرکت باقی مانده است را نشان خواهند داد.
شش سال بعد، وضعیت پارادوکس این نظریهارائه شده توسط Paul Langevin. "پیچیده شده" در یک داستان تصویری، به زودی محبوبیت خود را حتی در میان مردم دور از علم به دست آورد. به گفته خود لانگوین، تناقضات در این نظریه با این واقعیت توضیح داده شد که مسافر در بازگشت به زمین، با سرعتی شتابان حرکت می کرد.
دو سال بعد، ماکس فون لائو نسخه ای را ارائه کرد که نشان می دهد لحظه های شتاب یک جسم مهم نیست، بلکه این واقعیت است که وقتی روی زمین است در یک چارچوب مرجع اینرسی متفاوت قرار می گیرد.
سرانجام، در سال 1918، اینشتین توانست خود پارادوکس دو دوقلو را از طریق تأثیر میدان گرانشی بر گذر زمان توضیح دهد.
توضیح پارادوکس
پارادوکس دوقلو توضیح نسبتاً ساده ای دارد: فرض اولیه برابری بین دو چارچوب مرجع اشتباه است. مسافر همیشه در چارچوب مرجع اینرسی نمی ماند (همین امر در مورد داستان مربوط به ساعت نیز صدق می کند).
در نتیجه، بسیاری احساس کردند که نسبیت خاص نمی تواند برای فرمول بندی صحیح پارادوکس دوقلو استفاده شود، در غیر این صورت پیش بینی های ناسازگاری به وجود می آید.
همه چیز با ایجاد نظریه نسبیت عام حل شد. او راه حل دقیقی را برای مشکل در دست ارائه داد و توانست تأیید کند که از بین یک جفت ساعت هماهنگ، آنهایی بودند که در حرکت بودند که عقب خواهند ماند. بنابراین کار متناقض در ابتدا وضعیت یک کار معمولی را دریافت کرد.
مسائل بحث برانگیز
پیشنهاداتی وجود دارد کهلحظه شتاب آنقدر قابل توجه است که سرعت ساعت را تغییر دهد. اما در طی آزمایشات متعدد آزمایشی ثابت شد که تحت تأثیر شتاب حرکت زمان شتاب یا کند نمی شود.
در نتیجه، بخشی از مسیر که در آن یکی از برادران شتاب گرفت، فقط مقداری عدم تقارن را نشان می دهد که بین مسافر و بدن خانه رخ می دهد.
اما این عبارت نمی تواند توضیح دهد که چرا زمان برای یک جسم متحرک کند می شود و نه برای چیزی که در حالت سکون باقی می ماند.
تست با تمرین
فرمول‌ها و قضایای پارادوکس دوقلو دقیقاً توصیف می‌کنند، اما برای یک فرد نالایق بسیار دشوار است. برای کسانی که به جای محاسبات نظری تمایل بیشتری به اعتماد به عمل دارند، آزمایش های متعددی انجام شده است که هدف آنها اثبات یا رد نظریه نسبیت بود.
در یک مورد از ساعت اتمی استفاده شد. آنها بسیار دقیق هستند و برای حداقل همگام سازی بیش از یک میلیون سال نیاز دارند. آنها که در یک هواپیمای مسافربری قرار گرفتند، چندین بار دور زمین چرخیدند و سپس نسبت به ساعتهایی که به هیچ کجا پرواز نمی کردند، عقب ماندگی قابل توجهی نشان دادند. و این در حالی است که سرعت حرکت اولین نمونه ساعت از نور دور بود.
مثال دیگر: عمر میون ها (الکترون های سنگین) طولانی تر است. این ذرات بنیادی چندین صد برابر سنگین تر از ذرات معمولی هستند، بار منفی دارند و در لایه بالایی جو زمین به دلیل وجودعمل پرتوهای کیهانی سرعت حرکت آنها به سمت زمین فقط کمی کمتر از سرعت نور است. با طول عمر واقعی خود (2 میکروثانیه)، آنها قبل از اینکه سطح سیاره را لمس کنند، پوسیده می شدند. اما در فرآیند پرواز، 15 برابر بیشتر (30 میکروثانیه) عمر می‌کنند و همچنان به هدف می‌رسند.
علت فیزیکی پارادوکس و تبادل سیگنال
فیزیک پارادوکس دوقلو را به زبانی قابل دسترس تر توضیح می دهد. در طول پرواز، هر دو برادر دوقلو خارج از محدوده یکدیگر هستند و عملا نمی توانند مطمئن شوند که ساعت آنها هماهنگ است. اگر سیگنال‌هایی را که ساعت‌های مسافر به یکدیگر ارسال می‌کنند را تجزیه و تحلیل کنیم، می‌توان دقیقاً تعیین کرد که حرکت ساعت‌های مسافر چقدر کند می‌شود. اینها سیگنال‌های مرسوم «زمان دقیق» هستند که به صورت پالس‌های نور یا انتقال ویدیو از صفحه ساعت بیان می‌شوند.
باید درک کنید که سیگنال در زمان حال منتقل نمی شود، بلکه در گذشته است، زیرا سیگنال با سرعت خاصی منتشر می شود و زمان مشخصی طول می کشد تا از منبع به گیرنده منتقل شود.
می توان نتیجه گفتگوی سیگنال را فقط با در نظر گرفتن اثر داپلر به درستی ارزیابی کرد: وقتی منبع از گیرنده دور می شود، فرکانس سیگنال کاهش می یابد و با نزدیک شدن به آن، افزایش می یابد.
تدوین توضیح در موقعیت های متناقض
دو راه اصلی برای توضیح پارادوکس های این داستان های دوقلو وجود دارد:
- توجهدر نظر گرفتن ساختارهای منطقی موجود برای تضادها و شناسایی خطاهای منطقی در زنجیره استدلال.
- انجام محاسبات دقیق برای ارزیابی واقعیت کند شدن زمان از دیدگاه هر یک از برادران.
گروه اول شامل عبارات محاسباتی مبتنی بر SRT و درج شده در چارچوب های مرجع اینرسی است. در اینجا فرض می شود که لحظات مرتبط با شتاب حرکت نسبت به طول کل پرواز آنقدر کوچک هستند که می توان آنها را نادیده گرفت. در برخی موارد، آنها می توانند چارچوب مرجع اینرسی سومی را معرفی کنند که در جهت مخالف نسبت به مسافر حرکت می کند و برای انتقال داده ها از ساعت او به زمین استفاده می شود.
گروه دوم شامل محاسباتی است که با در نظر گرفتن این واقعیت ساخته شده‌اند که لحظه‌های حرکت شتاب‌دار هنوز وجود دارند. خود این گروه نیز به دو زیر گروه تقسیم می شود: یکی از نظریه گرانشی (GR) استفاده می کند و دیگری نه. اگر نسبیت عام دخیل باشد، فرض می شود که معادله حاوی میدان گرانشی است که مربوط به شتاب سیستم است و تغییر در سرعت زمان در نظر گرفته می شود.
نتیجه گیری
تمام بحث های مربوط به پارادوکس خیالی تنها به دلیل یک خطای منطقی ظاهری است. مهم نیست که شرایط مسئله چگونه فرموله می شود، نمی توان اطمینان حاصل کرد که برادران خود را در شرایط کاملاً متقارن قرار می دهند. مهم است که در نظر داشته باشیم که زمان دقیقاً در ساعت‌های متحرک کاهش می‌یابد که باید در چارچوب‌های مرجع تغییر می‌کردند، زیراهمزمانی رویدادها نسبی است.
دو راه برای محاسبه میزان کاهش سرعت از دیدگاه هر یک از برادران وجود دارد: استفاده از ساده ترین اقدامات در چارچوب نظریه نسبیت خاص یا تمرکز بر چارچوب های مرجع غیر اینرسی.. نتایج هر دو زنجیره محاسبه می تواند متقابلاً سازگار باشد و به طور مساوی تأیید کند که زمان در یک ساعت متحرک کندتر می گذرد.
بر این اساس، می توان فرض کرد که وقتی آزمایش فکری به واقعیت منتقل می شود، کسی که جای یک خانه را می گیرد، در واقع سریعتر از مسافر پیر می شود.
