كان الغرض الرئيسي من التجربة الفكرية المسماة "Twin Paradox" هو دحض منطق وصحة النظرية النسبية الخاصة (SRT). ومن الجدير بالذكر على الفور أنه لا يوجد في الواقع أي شك في أي مفارقة ، والكلمة نفسها تظهر في هذا الموضوع لأن جوهر التجربة الفكرية قد أسيء فهمه في البداية.
الفكرة الرئيسية لـ SRT
تناقض نظرية النسبية (المفارقة المزدوجة) تنص على أن المراقب "الثابت" يرى أن عمليات الأجسام المتحركة تتباطأ. وفقًا لنفس النظرية ، فإن الإطارات المرجعية بالقصور الذاتي (الإطارات التي تحدث فيها حركة الأجسام الحرة في خط مستقيم وموحد ، أو تكون في حالة سكون) متساوية بالنسبة لبعضها البعض.
المفارقة المزدوجة في سطور
مع الأخذ في الاعتبار الفرضية الثانية ، هناك افتراض حول تناقض النظرية النسبية الخاصة. لكى يسمحهذه المشكلة بشكل واضح ، تم اقتراح النظر في الوضع مع شقيقين توأمين. واحد (مشروط - مسافر) يتم إرساله في رحلة فضائية ، والآخر (شخص منزلي) يترك على كوكب الأرض.
عادة ما تبدو صياغة المفارقة المزدوجة في ظل هذه الظروف كما يلي: وفقًا للبقاء في المنزل ، فإن الوقت على مدار الساعة الذي يكون فيه المسافر يتحرك بشكل أبطأ ، مما يعني أنه عندما يعود ، فإن (ستتأخر ساعة المسافر). المسافر ، على العكس من ذلك ، يرى أن الأرض تتحرك بالنسبة له (حيث يوجد شخص في المنزل مع ساعته) ، ومن وجهة نظره ، فإن شقيقه هو الذي سيمضي الوقت بشكل أبطأ.
في الواقع ، كلا الأخوين في ظروف متساوية ، مما يعني أنه عندما يكونان معًا ، فإن الوقت على ساعاتهم سيكون هو نفسه. في الوقت نفسه ، وفقًا لنظرية النسبية ، يجب أن تتخلف ساعة الأخ والمسافر. مثل هذا الانتهاك للتماثل الظاهري كان يعتبر تناقضًا في أحكام النظرية.
مفارقة مزدوجة من نظرية النسبية لأينشتاين
في عام 1905 ، استنتج ألبرت أينشتاين نظرية تنص على أنه عندما يكون زوج من الساعات متزامنة مع بعضها البعض عند النقطة A ، يمكن لإحداهما التحرك على طول مسار منحني مغلق بسرعة ثابتة حتى تصل مرة أخرى إلى النقطة. A (وسيستغرق هذا ، على سبيل المثال ، t ثانية) ، ولكن في لحظة الوصول سيظهر وقتًا أقل من الساعة التي ظلت ثابتة.
بعد ست سنوات ، حالة التناقض لهذه النظريةمقدمة من Paul Langevin. "ملفوفة" في قصة مرئية ، سرعان ما اكتسب شعبية حتى بين الناس بعيدا عن العلم. وفقًا لانجفين نفسه ، تم تفسير التناقضات في النظرية من خلال حقيقة أن المسافر ، بالعودة إلى الأرض ، يتحرك بمعدل متسارع.
بعد ذلك بعامين ، طرح Max von Laue نسخة مفادها أن لحظات التسارع لجسم ما ليست مهمة ، ولكن حقيقة أنها تقع في إطار مرجعي مختلف بالقصور الذاتي عندما يكون على الأرض.
أخيرًا ، في عام 1918 ، تمكن أينشتاين من شرح التناقض بين توأمين بنفسه من خلال تأثير مجال الجاذبية على مرور الوقت.
شرح المفارقة
للمفارقة المزدوجة تفسير بسيط إلى حد ما: الافتراض الأولي للمساواة بين الإطارين المرجعيين خاطئ. لم يبق المسافر في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي طوال الوقت (الأمر نفسه ينطبق على القصة مع الساعة).
نتيجة لذلك ، شعر الكثير أنه لا يمكن استخدام النسبية الخاصة لصياغة المفارقة المزدوجة بشكل صحيح ، وإلا ستنتج تنبؤات غير متوافقة.
تم حل كل شيء عندما تم إنشاء النظرية العامة للنسبية. لقد أعطت الحل الدقيق للمشكلة المطروحة وتمكنت من تأكيد أنه من بين زوج من الساعات المتزامنة ، كانت الساعات المتحركة هي التي ستتأخر. لذا فإن المهمة المتناقضة في البداية حصلت على حالة مهمة عادية.
قضايا خلافية
هناك اقتراحاتلحظة التسارع مهمة بما يكفي لتغيير سرعة الساعة. لكن في سياق العديد من الاختبارات التجريبية ، ثبت أنه تحت تأثير التسارع ، لا تتسارع حركة الوقت أو تبطئ.
نتيجة لذلك ، يوضح جزء المسار ، الذي تسارع فيه أحد الإخوة ، بعض عدم التماثل الذي يحدث بين المسافر والجسم المنزلي.
لكن هذا البيان لا يمكن أن يفسر سبب تباطؤ الوقت بالنسبة لجسم متحرك ، وليس لشيء يبقى في حالة سكون.
اختبار بالممارسة
تصف معادلات ونظريات المفارقة المزدوجة تمامًا ، لكنها صعبة جدًا بالنسبة لشخص غير كفء. بالنسبة لأولئك الذين يميلون إلى الثقة في الممارسة بدلاً من الحسابات النظرية ، تم إجراء العديد من التجارب ، وكان الغرض منها إثبات أو دحض نظرية النسبية.
في حالة واحدة ، تم استخدام ساعة ذرية. إنها دقيقة للغاية ، وللحد الأدنى من عدم التزامن ، ستحتاج إلى أكثر من مليون عام. تم وضعهم في طائرة ركاب ، وداروا حول الأرض عدة مرات ثم أظهروا تأخرًا ملحوظًا وراء تلك الساعات التي لم تطير في أي مكان. وهذا بالرغم من أن سرعة حركة العينة الأولى من الساعة كانت بعيدة عن الضوء.
مثال آخر: عمر الميونات (الإلكترونات الثقيلة) أطول. هذه الجسيمات الأولية أثقل بمئات المرات من الجسيمات العادية ، ولها شحنة سالبة وتتكون في الطبقة العليا من الغلاف الجوي للأرض بسببعمل الأشعة الكونية. سرعة حركتهم نحو الأرض أقل قليلاً من سرعة الضوء. مع عمرها الحقيقي (2 ميكروثانية) ، كان من الممكن أن يتحلل قبل أن يلمس سطح الكوكب. لكن في عملية الطيران ، فإنهم يعيشون 15 مرة أطول (30 ميكروثانية) ولا يزالون يصلون إلى الهدف.
السبب المادي للمفارقة وتبادل الإشارات
تشرح الفيزياء التناقض المزدوج بلغة يسهل الوصول إليها. أثناء الرحلة ، يكون كلا الشقيقين التوأمين خارج النطاق بالنسبة لبعضهما البعض ولا يمكن عمليا التأكد من أن ساعاتهم تتحرك بشكل متزامن. من الممكن تحديد مقدار تباطؤ حركة ساعات المسافر بالضبط إذا قمنا بتحليل الإشارات التي سيرسلونها لبعضهم البعض. هذه إشارات تقليدية لـ "الوقت المحدد" ، يتم التعبير عنها كنبضات ضوئية أو إرسال فيديو لوجه الساعة.
يجب أن تفهم أن الإشارة لن تنتقل في زمن المضارع ، ولكن بالفعل في الماضي ، لأن الإشارة تنتشر بسرعة معينة وتستغرق وقتًا معينًا للانتقال من المصدر إلى المستقبل.
من الممكن إجراء تقييم صحيح لنتيجة حوار الإشارة فقط مع مراعاة تأثير دوبلر: عندما يتحرك المصدر بعيدًا عن جهاز الاستقبال ، ينخفض تردد الإشارة ، وعند الاقتراب ، سيزداد.
صياغة تفسير في المواقف المتناقضة
هناك طريقتان رئيسيتان لشرح مفارقات هاتين القصتين التوأم:
- منتبهةالنظر في التركيبات المنطقية الحالية للتناقضات وتحديد الأخطاء المنطقية في سلسلة التفكير.
- إجراء حسابات مفصلة لتقييم حقيقة تباطؤ الوقت من وجهة نظر كل من الإخوة.
تتضمن المجموعة الأولى التعبيرات الحسابية على أساس SRT والمدرجة في إطارات مرجعية بالقصور الذاتي. من المفترض هنا أن اللحظات المرتبطة بتسارع الحركة صغيرة جدًا بالنسبة إلى إجمالي طول الرحلة بحيث يمكن إهمالها. في بعض الحالات ، يمكنهم تقديم إطار مرجعي ثالث بالقصور الذاتي ، والذي يتحرك في الاتجاه المعاكس بالنسبة للمسافر ويستخدم لنقل البيانات من ساعته إلى الأرض.
المجموعة الثانية تتضمن حسابات مبنية مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن لحظات الحركة المتسارعة لا تزال موجودة. تنقسم هذه المجموعة نفسها أيضًا إلى مجموعتين فرعيتين: واحدة تستخدم نظرية الجاذبية (GR) ، والأخرى لا تستخدم. إذا كانت النسبية العامة متضمنة ، فمن المفترض أن المعادلة تحتوي على مجال الجاذبية ، والذي يتوافق مع تسارع النظام ، ويؤخذ التغيير في سرعة الوقت في الاعتبار.
الخلاصة
جميع المناقشات المتعلقة بالمفارقة الخيالية ترجع فقط إلى خطأ منطقي ظاهر. بغض النظر عن كيفية صياغة ظروف المشكلة ، من المستحيل التأكد من أن الإخوة يجدون أنفسهم في ظروف متماثلة تمامًا. من المهم مراعاة أن الوقت يتباطأ على وجه التحديد في الساعات المتحركة ، والتي يجب أن تمر بتغيير في الأطر المرجعية ، لأنتزامن الأحداث نسبي
هناك طريقتان لحساب مقدار الوقت الذي تباطأ من وجهة نظر كل من الأخوين: استخدام أبسط الإجراءات في إطار نظرية النسبية الخاصة أو التركيز على الأطر المرجعية غير بالقصور الذاتي. يمكن أن تكون نتائج كلا السلسلتين الحسابية متسقة بشكل متبادل وتعمل بشكل متساوٍ لتأكيد أن الوقت يمر بشكل أبطأ على مدار الساعة المتحركة.
على هذا الأساس ، يمكن الافتراض أنه عندما يتم نقل التجربة الفكرية إلى الواقع ، فإن الشخص الذي يحل محل شخص في المنزل سوف يكبر بالفعل بشكل أسرع من المسافر.
