Парадокс близнецов

Материал из synset
Перейти к: навигация, поиск
Время << Оглавление (Глава 2) >> Сказка о стволовых клетках


Парадокс близнецов окутан романтикой межзвездных перелетов и туманом неверных толкований. Широкую известность он получил благодаря формулировке Поля Ланжевена (1911 г.), которая в популярном пересказе звучит следующим образом:
Один брат-близнец остаётся на Земле, а второй отправляется в космические странствия с околосветовой скоростью. С точки зрения домоседа, двигающийся относительно него путешественник имеет замедленный ход времени. Поэтому при возвращении он окажется моложе. Однако, с точки зрения космонавта двигалась Земля, поэтому моложе должен оказаться брат-домосед.
Слово "парадокс" имеет несколько значений. Например, парадоксальны многие выводы теории относительности, так как они противоречат привычным представлениям. В такой парадоксальности, конечно, нет ничего плохого. Любая новая теория "непривычна" и требует смены старых представлений. Однако, при описании истории с близнецами "парадокс" является синонимом "логического противоречия". Проведя рассуждение об одном и том же событии (встреча братьев) двумя различными способами, мы получаем разный результат. Конечно, в непротиворечивой теории подобного происходить не должно.

Парадоксу близнецов посвящена обширнейшая литература. Общепринятое объяснение состоит в следующем. Для того, чтобы братья могли непосредственно сравнить свой возраст, одному из них (путешественнику) необходимо вернуться, а для этого испытать этапы ускоренного движения, перейдя в неинерциальную систему отсчета. Поэтому полной симметрии между братьями нет. Естественно, подобное снятие парадокса не объясняет, почему именно космонавт должен стать моложе. Кроме этого, сразу возникает следующее возражение: "если всё дело в ускорении, то этапы разгона и торможения можно сделать сколь угодно короткими (для каждого наблюдателя!) по сравнению с произвольно длинными и симметричными этапами равномерного движения".

На это отвечают, что расчет, в рамках общей теории относительности, дает одинаковый для каждого брата ответ. Конечно, гравитация к этому расчету не имеет никакого отношения, и используемая при этом дифференциальная геометрия служит математическим аппаратом описания неинерциальных систем отсчёта. Подобные расчёты абсолютно верны, однако физические причины произошедшего с братьями при этом часто оказываются скрытыми.



Наш анализ мы начнем с замечания о том, что возвращаться брату-путешественнику, необязательно. Ему достаточно затормозить, перейдя в систему отсчета, связанную с Землёй. Находясь далеко, но оставаясь относительно друг друга неподвижными, братья без труда могут синхронизировать своё время и выяснить как разошлись их часы (физические и биологические). При желании можно, конечно, рассмотреть новый старт космического корабля и его возвращение на Землю. Однако ни каких новых эффектов при этом не произойдет, и все времена необходимо будет просто умножить на два. По большому счету, нет даже необходимости и в ускоренном старте с Земли. Можно рассмотреть одновременное рождение братьев в двух различных инерциальных системах отсчета, когда они пролетали друг мимо друга. Оставляя в стороне физиологические детали подобного рождения, подчеркнем, что, когда братья находятся в различных системах, но в одной пространственной точке, они легко могут согласовать начальный момент времени (факт их рождения).

Так сформулированную историю мы подробно рассмотрели в разделе "Время". В результате относительности одновременности части двигающейся системы отсчета, расположенные по ходу её движения, "находятся в прошлом", а части против движения — в будущем. И чем дальше они от точки рождения братьев , тем сильнее эффект:

Twins2.png

Космонавт, летящий мимо любых "неподвижных" часов , видит, что они идут медленнее, чем его собственные . Однако на всех таких часах, встречающихся ему на пути, он наблюдает будущее время: в . Аналогично, сотрудники космопортов, мимо которых пролетает космонавт, видят его моложе. Пролетающие в это же время мимо брата-домоседа "племянники-одногодки" (на последних кораблях эскадры) выглядят старше землянина. Эти эффекты абсолютны для наблюдателей разных систем, находящихся в одной пространственной точке, поэтому не изменятся при остановке. Для понимания парадокса близнецов, на самом деле, нет необходимости даже рассматривать неинерциальные системы отсчета! Если остановится космонавт, то он "попадёт в будущее" земной системы отсчета и будет там моложе. Точно так же, если ускорится землянин, то он окажется в будущем системы космонавта и там будет моложе.



"Парадокс" близнецов можно проанализировать и без дорогостоящих инвестиций в строительство космопортов. Предположим, что два брата с момента расставания, начинают транслировать друг другу свои видеоизображения. Путешественник видит брата, сидящего в кресле у камина, на котором стоят часы. Тот, в свою очередь, на мониторе видит кабину космолёта с электронными часами над штурвалом, за которым сидит его мужественный брат-путешественник. Космический корабль должен достичь ближайшей звезды, удалённой на расстояние от Земли, и вернуться обратно. Приведём выписки из бортового журнала космического корабля.

Дневник путешествия. Совершив быстрый разгон, выхожу на околосветовую скорость. Перегрузки колоссальные, но благодаря последним достижениям биокибернетики переношу их сравнительно легко. Время начала путешествия по моим часам совпадает с временем брата-домоседа. Однако частота принимаемого сигнала со стремительно удаляющейся Земли заметно уменьшилась. Движения моего брата выглядят замедленными. Это и понятно, эффект Доплера ещё никто не отменял. Звёзды по курсу сбились в кучу, тогда как сзади, вокруг родной Земли, их заметно поубавилось, и они покраснели. Тут тоже всё понятно — аберрация плюс изменение частоты. Расстояния между автоматическими маяками, расставленными вдоль моей трассы уменьшились, и, следовательно, время полёта к звезде по моим часам составит , а не , как виделось нам с братом с Земли. Поэтому время путешествия должно получиться короче , чем по часам моего брата. Посмотрим, посмотрим. Кстати, о брате — секундная стрелка на его каминных часах еле ползёт, и время, которое они показывают, существенно отстаёт от моего. Этот результат — сумма эффекта Доплера и задержки видеотрансляции из-за конечности скорости света .

Достигнув цели путешествия, резко торможу и делаю памятные фотографии на фоне звезды. После торможения стрелка на каминных часах брата сразу начала свой естественный бег, хотя, конечно, общее время, прошедшее с начала полёта не изменилось, и сильно отстаёт от моего. Больше делать у одинокой звезды нечего, поэтому резко ускоряюсь в обратном направлении. Придя в себя после разгона, вижу, что часы брата заметно ускорились, и их секундная стрелка крутится, как угорелая.

До Земли осталось совсем немного. За время обратного путешествия часы брата успели наверстать отставание и, более того, обогнали мой хронометр. Завтра торможение и наша долгожданная встреча. Однако уже нет никаких сомнений в том, что теперь в семье младший брат — я.



Разберёмся с физикой впечатлений, описанных путешественником. Пусть братья передают друг другу каждую секунду (по своим часам) сигналы точного времени. Будем считать, что ускоренные движения космолёта очень короткие (с точки зрения обоих братьев) по сравнению со временем всего путешествия. Пока космолёт удаляется от Земли, каждый брат, в силу эффекта Доплера, видит уменьшение частоты (увеличение периода) принимаемых сигналов. После торможения у звезды путешественник перестаёт "убегать" от земных сигналов, и их период сразу становится равным его секунде. Развернувшись и разогнавшись, путешественник начинает "наскакивать" на идущие ему навстречу сигналы и их частота увеличивается (период уменьшается).

Время путешествия по его часам в одну сторону равно , и такое же в обратную. Количество принятых "земных секунд" за время путешествия равно их частоте , умноженной на время:

Поэтому при удалении от Земли космонавт получил существенно меньше секунд (первое слагаемое), а при приближении, соответственно, больше (второе слагаемое). Суммарное количество секунд, полученных с Земли, больше, чем переданных на неё, в точном соответствии с формулой замедления времени.

Несколько иная арифметика у землянина. Пока его брат удаляется, он также регистрирует увеличение периодов точного времени передаваемых с космолёта. Однако, в отличие от брата, землянин наблюдает такое замедление дольше. Время полёта к звезде составляет по земным часам . Событие торможения путешественником у звезды землянин увидит спустя дополнительное время , требуемое свету для прохождения расстояния от звезды. Поэтому только через от начала путешествия на мониторе он увидит ускоренную работу часов приближающегося брата:

Time5.png

Учитывая, что времена равны и , имеем:

Таким образом, эффект замедления времени брата, менявшего свою систему отсчета, абсолютен, т.е. одинаков для обоих братьев.



Самое парадоксальное в парадоксе близнецов, то, что иногда его проще объяснить, чем сформулировать. Часто этот парадокс воспринимают поверхностно, поэтому приведём следующее "глубокое" рассуждение:
Ладно, пусть близнецы не равноправны и космонавт менял систему отсчёта. Нет особых возражений и к его описанию на основе эффекта Доплера. Однако, это всё равно не снимает парадокса в следующей формулировке. Космонавт, пролетая мимо всех часов, неподвижных в земной системе отсчёта, видит, что они идут медленнее его часов. Он "бывший землянин" и знает, что все эти часы одинаковые. Поэтому он должен сделать вывод, что и время его брата течёт медленнее. Интервалы времени, в отличии от длин линеек, накапливаются, и поэтому при остановке показания часов не могут сравняться. Более того, если остановка очень быстрая по сравнению с временем равномерного движения, она ни как не может привести к тому, что отставшие часы земного брата скачком обгонят часы космического корабля. Поэтому время на Земле должно (с точки зрения космонавта) отстать, и земной брат оказаться младше. Однако это противоречит аналогичному рассуждению с точки зрения землянина, относительно которого все процессы у двигающихся объектов замедляются. А раз так, то при возвращении путешественника (когда часы можно сравнить непосредственно), произойдёт непонятно что...

В этом неверном рассуждении забывают, что, кроме замедления времени, есть ещё один эффект — относительность одновременности. В классической механике для всех наблюдателей, независимо от их движения, существует единое настоящее. В теории относительности ситуация иная. Такое "единое настоящее" существует только для неподвижных относительно друг друга наблюдателей. Однако, для наблюдателей, двигающихся мимо такой системы, она представляет собой непрерывное объединение прошлого, настоящего и будущего. Находящиеся далеко впереди по движению наблюдатели видят отдалённое будущее неподвижной системы отсчёта, а двигающиеся сзади — прошлое.

Все часы, мимо которых пролетают космонавты, идут медленнее, чем их собственные. Однако из этого не следует, что они должны показывать меньше "накопленного" времени! Имея более медленный ход, такие часы находятся в будущем земной системы отсчёта, и, когда космонавт до них добирается, они "не успевают" отстать настолько, чтобы скомпенсировать это будущее.

В заключение истории о парадоксе близнецов расскажем сказку.


Время << Оглавление (Глава 2) >> Сказка о стволовых клетках

Релятивистский мир - лекции по теории относительности, гравитации и космологии