space

«Парадокс близнецов» показывает нам, что означает относительность времени

Специальная теория относительности Эйнштейна учит нас, что время относительно. Но что значит, что время относительно? Как мы можем жить во вселенной, где никто не может договориться о том, когда события начинаются, когда они заканчиваются и как долго они длятся?

Печально известный «парадокс близнецов» демонстрирует, на что похожа жизнь в действительно релятивистском мире. Проще говоря, специальная теория относительности говорит нам, что движущиеся часы идут медленно.

Это явление называется замедлением времени, и это холодный, непреложный факт Вселенной. Эйнштейну пришлось ввести эту концепцию, чтобы спасти то, что он считал гораздо более фундаментальным: универсальность физических законов. Если мы хотим, чтобы законы физики — что также означает физический опыт — были одинаковыми независимо от вашей системы отсчета, перспективы должны меняться для наблюдателей с разной скоростью.

Специальная теория относительности утверждает, что часы, прикрепленные к движущемуся объекту, будут тикать медленнее, чем часы, стоящие на месте. И то, что касается движущихся часов, касается и всего остального; физика, химия и биология работают медленнее в движущихся системах отсчета.

Очень трудно измерить этот эффект в человеческом масштабе, потому что он проявляется в значительной степени только при приближении к скорости света. Тем не менее, это измеримо. В 1971 году физики Джозеф Хафеле и Ричард Китинг установили атомные часы на борт реактивных самолетов и отправили их в кругосветное путешествие.

Когда часы вернулись, они рассинхронизировались с наземными часами ровно на величину, предсказанную специальной теорией относительности. Чтобы изучить все последствия этой идеи, давайте начнем с некоторых гипотетических близнецов, Алисы и Боба. Пока они остаются рядом друг с другом, их часы будут синхронизированы, и они будут стареть с одинаковой скоростью.

Но если бы Боб сел на ракету и совершил кругосветное путешествие вокруг галактики со скоростью, близкой к скорости света, все было бы немного иначе. Для Боба в пути прошло, может быть, всего несколько месяцев или пара лет. Но в зависимости от того, как быстро он двигался, для Алисы это могли быть десятилетия или даже столетия.

Настоящий парадокс

Какой бы головокружительной ни была эта история, это не парадокс. Это именно то, чего требует физика специальной теории относительности: разные наблюдатели во Вселенной будут по-разному рассчитывать течение времени в зависимости от их скорости. Так вот собственно парадокс. Во время путешествия Боб ничего не чувствует по-другому.

Не похоже, чтобы он двигался в замедленном темпе или что-то в этом роде. Все кажется совершенно нормальным — настолько нормальным, что пока он не ускоряется, он даже не может сказать, что вообще движется.

Это решающий мысленный эксперимент, который помог Эйнштейну разработать специальную теорию относительности. Если вы движетесь с одинаковой скоростью (без ускорений и замедлений), невозможно сказать, движетесь ли вы сами или стоите на месте, а остальная Вселенная движется.

Вы когда-нибудь были в машине и видите, что машина рядом с вами едет задним ходом, и на мгновение вам кажется, что вы едете вперед? Ваш разум полагается на внешние сигналы, чтобы определить, находитесь ли вы в движении. Итак, с точки зрения Боба, он стоит совершенно неподвижно, а Алиса (и вся Земля) убегает от него.

Да, это звучит невероятно, но с точки зрения физики Боб не может отличить. По расчетам Боба, его часы идут нормально, а часы Алисы должны идти медленно. Так что, когда они снова встретятся, она должна быть моложе его, потому что для нее прошло не так много времени. Но Алиса говорит то же самое о Бобе, потому что, по ее словам, она стоит на месте, а он движется. Кто прав, Алиса или Боб? Это настоящий парадокс.

Определенная точка зрения

Мы можем решить парадокс близнецов, взглянув на картину в целом. Это правда, что пока Боб летит с постоянной скоростью, он и Алиса будут принципиально расходиться во мнениях относительно течения времени, и обе точки зрения будут правильными. Но чтобы они обменялись мнениями, Боб должен вернуться на Землю.

Другими словами, ему нужно замедлиться, остановиться, развернуть свой корабль, разогнаться и вернуться домой. Этот акт поворота оказывает большое влияние на счет времени Боба. Он будет делать что-то, что уводит его от его особой системы отсчета.

И он сможет сказать, что делает это, не глядя на внешнюю вселенную, а наблюдая внутри своей ракеты — например, вибрацию двигателей и толчок своего тела к полу во время торможения.

Из-за этой асимметрии точка зрения Боба уже не так верна, как точка зрения Алисы, и он больше не может утверждать, что стоит на месте, в то время как вселенная движется вокруг него. Когда он, наконец, вернется на Землю, он узнает, что он был путешествующим близнецом и что он был тем, кто двигался со скоростью, близкой к скорости света.

Математика специальной теории относительности говорит нам, насколько Алиса и Боб состарятся в их собственной системе отсчета, и та же самая математика показывает, что в конце концов они придут к согласию относительно чисел.

Поделиться с друзьями: