Релятивистское замедление времени: парадокс близнецов

Физика > Эффекты дилатации времени: парадокс двойника

 

Изучите релятивистский эффект замедления времени с примером парадокса близнецов: роль специальной теории относительности Эйнштейна, время в космосе, замедление.

Парадокс близнецов: один из близнецов отправляется в космос и возвращается на Землю, обнаружив, что второй стал старее.

Задача обучения

• Разобраться в парадоксе двойника.

Основные пункты

• В замедлении времени каждый близнец заметит, что второй стал стареть медленнее.
• Сценарий осуществляется в стандартной структуре специальной теории относительности: близнецы не выступают эквивалентными, а космический двойник переживет дополнительное асимметрическое ускорение при возвращении домой.
• Парадокс близнецов подтверждает, что специальная теория относительности выступает самосогласованной.

Термины

• Дилатация времени – замедление временного течения, испытываемое перемещающимися объектами.
• Специальная теория относительности: световая скорость остается стабильной во всех системах отсчета.

Парадокс близнецов – воображаемый эксперимент в пределах специальной теории относительности Эйнштейна при релятивистском замедлении времени. В нем участвуют идентичные близнецы, один из которых отправляется в космос и возвращается домой, чтобы понять, что второй стал старше.

Так случается из-за утверждения специальной теории относительности: чем быстрее перемещается один, тем медленнее скорость второго.

Результат ставит в тупик, ведь каждый близнец воспринимает другого как того, кто путешествует, поэтому из-за временного замедления каждый должен обнаружить второго с меньшей скоростью. То есть, с позиции ракеты кажется, что это планета удаляется.

Но эту проблему можно решить в рамках специальной теории относительности, так что мы не сталкиваемся с парадоксом. Планета и корабль не пребывают в симметричном соотношении: неважно, с какой позиции смотреть, ведь именно корабль испытывает дополнительные силы ускорения. У механизма есть поворот, в котором он увеличивает скорость и меняет свою направленность, а Земля здесь остается «статичной». Если не наблюдается симметрия, то нет ничего парадоксального, если один близнец окажется моложе второго.

В пространственно-временной диаграмме мировая линия двойника совпадет с вертикальной осью. В первой части поездки второй двойник перемещается вправо (черная наклонная линия), а во второй – назад. Синие линии отображают плоскости одновременности для подвижного двойника в период первого этапа, а красные – во втором. Перед поворотом подвижный двойник определяет возраст стационарного, вычисляя интервал вдоль вертикальной оси. После поворота он проверит, произошли ли изменения от начала к нижней красной линии. Путешественнику будет казаться, что у земного близнеца произошел скачок разрыва.

---