Кіріспе

Арнайы салыстырмалылық теориясындағы ой эксперименті. Саты парадоксы (немесе амбар бағанасы парадоксы) – арнайы салыстырмалылық теориясындағы ой эксперименті. Ол жерге параллель, релятивистік жылдамдықпен (жарық жылдамдығына жуық) көлденең қозғалатын және демек, Лоренц ұзындығының қысқаруын бастан кешіретін сатыны қамтиды. Саты, тыныш күйдегі ұзындығынан қысқарақ болғандықтан, гараж немесе амбардың ашық алдыңғы және артқы есіктерінен өтеді, егер саты қозғалмаса, онда ол ішке сыймас еді. Тұрақты бақылаушыға, қысқарудың нәтижесінде, қозғалатын саты ғимараттың ішіне толығымен сыяды. Екінші жағынан, сатымен бірге қозғалатын бақылаушының көзқарасы бойынша, саты қысқармайды, ал ғимарат Лоренц бойынша одан да кішкентай ұзындыққа дейін қысқарады. Сондықтан саты ғимаратқа кіре алмайды. Бұл екі бақылаушының шындықтары арасында көрінетін қайшылықты тудырады. Бұл парадокс абсолютті бірдей уақытта болу туралы бұрыс түсінікке байланысты. Егер сатының екі ұшын бір уақытта гараж ішінде орналастыруға болады деп есептесек, саты гаражға сыяды. Парадокс салыстырмалылық теориясында бірдей уақытта болу әр бақылаушыға қатысты екенін ескергенде шешіледі, соның салдарынан саты гаражға сыя ма деген сұраққа жауап та әрқайсысына қатысты болады.

Парадокс

Мәселенің ең қарапайым түрі гаражға қатысты, оның алдыңғы және артқы есіктері ашық, ал баспалдақ гаражға қатысты тыныш тұрғанда ішке сыймайды. Енді біз баспалдақты жоғары жылдамдықпен тұрған гараж арқылы жылжытамыз. Жоғары жылдамдығының салдарынан баспалдақ ұзындығының салыстырмалы қысқару әсеріне ұшырайды және айтарлықтай қысқарады. Осының нәтижесінде, баспалдақ гараж ішінде жылжып өтетін сәтте, ол толығымен гаражға сыйып қалады. Қалауымызша, екі есікті бірден қысқа ғана уақытқа жауып, баспалдақтың сыйып отырғанын көрсетуге болады. Әзірге, бұл дұрыс. Көрінетін парадокс жағдайдың симметриясын қарастырғанда туындайды. Баспалдақпен бірге қозғалатын бақылаушы гараждың инерциялық санақ жүйесінде тұрақты жылдамдықпен қозғалғандықтан, ол да инерциялық жүйеде болады, онда салыстырмалылық принципі бойынша физиканың бірдей заңдары қолданылады. Осы көзқарас бойынша, енді баспалдақ тұрған күйде, ал гараж жоғары жылдамдықпен қозғалады. Демек, гараж ұзындығы қысқарған, сондықтан ол баспалдақ өтіп бара жатқанда толығымен сыйып отыру үшін тым кішкентай – баспалдақ сыймайды, және оны екі жағынан есіктермен жабуға болмайды, себебі соғысып қалады. Осы көрінетін қайшылық – парадокс.

Қаулы

Көрінетін парадокстың шешімі бір мезгілде болудың салыстырмалылығында жатыр: бір бақылаушы (мысалы, гаражбен бірге) екі оқиғаның бір уақытта орын алғанын санаса, екінші бақылаушыға (мысалы, баспалдақпен бірге) олар бір уақытта болмауы мүмкін. Егер біз баспалдақ гаражға "сыйып" кетеді десек, бұл дегеніміз – нақты айтқанда, белгілі бір уақытта баспалдақтың артқы және алдыңғы бөліктері гараждің ішінде болды; яғни, баспалдақтың алдыңғы және артқы бөліктері гараждің ішінде бір мезгілде болды. Бір мезгілде болу салыстырмалы болғандықтан, екі бақылаушы баспалдақтың гаражға сыйып бармағаны туралы пікірде келіспейді. Гаражбен бірге жүрген бақылаушы үшін баспалдақтың артқы бөлігі, баспалдақтың алдыңғы бөлігі гаражге кірген уақытта гараждің ішінде болды, сондықтан баспалдақ сыйып кетті; бірақ баспалдақпен бірге жүрген бақылаушы үшін бұл екі оқиға бір мезгілде болған жоқ, сондықтан баспалдақ сыйып кетпеді. Мұны түсінудің ең оңай жолы – гараж есіктеріне қарау, олар баспалдақ гараждің ішіне толық кіргенде қысқа ғана уақытқа жабылады. Енді осы оқиғаларды баспалдақтың санатында қарастырайық. Бірінші оқиға – баспалдақтың алдыңғы бөлігі гараждің шығу есігіне жақындауы. Есік жабылып, баспалдақтың алдыңғы бөлігі өтуіне рұқсат беру үшін қайта ашылады. Кейін баспалдақтың артқы бөлігі кіре беріс есігінен өтеді, есік жабылып, қайта ашылады. Бір мезгілде болудың салыстырмалылығын ескерсек, екі есікті бір уақытта жабудың қажеті жоқ екенін және баспалдақтың гаражға сыйып кіруінің қажеті де жоқ екенін көреміз. Бұл жағдайды түсіндіру үшін төмендегі Минковский диаграммасын қарастыруға болады. Диаграмма гараждің тыныш санатында жасалған. Көк түсті тік жолақ – гаражді кеңістік-уақытта, ал қызыл жолақ – баспалдақты кеңістік-уақытта көрсетеді. x және t осьтері – гараждің кеңістік және уақыт осьтері, ал x' және t' – баспалдақтың кеңістік және уақыт осьтері. Гараждің санатында кез келген нақты уақыттағы баспалдақ, қызыл жолақта x осіне параллель нүктелер жиынтығымен бейнеленеді. Мысалы, көк түсті қалың сызық сегменті, ол гаражді бейнелейтін көк жолақтың ішінде орналасқан және гараждің ішінде тұрған кездегі баспалдақты көрсетеді. Алайда, баспалдақтың санатында бір мезгілде болатын оқиғалар жиынтығы x' осіне параллель сызықтарда жатыр; сондықтан кез келген нақты уақыттағы баспалдақ, қызыл жолақпен осындай сызықтың қимасымен бейнеленеді. Мұндай мысалдың бірі – қызыл түсті қалың сызық. Көреміз, мұндай сызық сегменттері ешқашан толығымен көк жолақтың ішінде жатпайды; яғни, баспалдақ ешқашан толығымен гараждің ішінде болмайды.

Гараждағы сатыны жабу

Парадокстың күрделі нұсқасында, баспалдақты гараждың ішіне толық кіргеннен кейін физикалық тұрғыдан қамауға алуға болады. Мысалы, оны жапқаннан кейін шығу есігін қайтадан ашпау арқылы осыған қол жеткізуге болады. Гараж шеңберінде шығу есігінің жылмауы мүмкін емес деп есептейміз, сондықтан баспалдақ оған тиген кезде бірден тоқтайды деуге болады. Осы уақытқа дейін кіреберіс есігі де жабылып, баспалдақ гараж ішінде қалып қояды. Оның салыстырмалы жылдамдығы енді нөлге тең болғандықтан, оның ұзындығы қысқармайды және қазір гараждан ұзын; оның бүгілуі, сынға ұшырауы немесе жарылуы мүмкін. Тағы да, осы жағдайды баспалдақтың өзінің шеңберінен қарастыру қиындық тудырады. Жоғарыдағы талдауда, оның өзінің шеңберінен қарағанда, баспалдақ әрқашан гаражdan ұзын болды. Олай болса, есіктерді қалай жауып, оны ішке қамауға алдық? Мұнда салыстырмалылықтың жалпы ерекшелігін атап өткен жөн: гараж шеңберінен қарастыра отырып, біз баспалдақты гараж ішінде қамауға алатынымызды анықтадық. Демек, бұл кез келген шеңберде дұрыс болуы керек – баспалдақ бір шеңберде сынса, екіншісінде сынбауы мүмкін емес. Осыдан баспалдақтың қалай тұтқындалғанына түсіндіру табу керек екенін білеміз. Түсіндірмесі: баспалдақтың барлық бөліктері гараж шеңберінен қарағанда бір мезгілде нөлге дейін баяуласа да, бір мезгілде болудың салыстырмалылығына байланысты, баспалдақ шеңберінен қарағандағы сәйкес баяулаулар бір мезгілде болмайды. Керісінше, баспалдақтың әр бөлігі алдынан артқа қарай біртіндеп баяулайды, соңында баспалдақтың артқы бөлігі баяулағанда, ол бұл кезде гараж ішінде болады. Ұзындықтың қысқаруы мен уақыттың өзгеруі Лоренц түрлендірулерімен реттелетіндіктен, баспалдақ парадоксын егіздер парадоксының физикалық байланысы ретінде қарастыруға болады, онда егіздердің бірі жерді тастап, белгілі бір уақыт бойы жылдамдықпен саяхаттап, жерге оралады және жерде қалған егізден сәл жас болады. Баспалдақтың гараж ішінде қамалу жағдайындағыдай, егер ешбір анықтамалық жүйе артықшылыққа ие болмаса – әрқайсысы тек біріншісіне қатысты қозғалса – саяхатшы егіздің тұрған егізден жас болуы қалай мүмкін? Екі жағдайда да осы құбылысты ажырататын нәрсе – үдеу мен баяулау: уақытша (немесе баспалдақ қорасы жағдайында физикалық) инерциялық жүйеге оралу кезінде баяулау күшін сезінетін – егіздер, жер емес (немесе баспалдақ, қора емес).

Саты парадоксы және күштің берілуі

Егер артқы есік (тіреудің сыртқа шығатын есігі) мұңғыл жабылып, ашылмаса не болады? Есік тым берік болғандықтан, тіреу соқтығысқанда оны жарып өткізе алмайды, демек тоқтауы керек болсын. Содан кейін, жоғарыда сипатталған сценарийде, гараждың координаттық жүйесінде, тіреудің артқы жағы алдыңғы есіктің ішінде болып, гараждың ішінде толыққандай орналасқан сәт туады, содан кейін артқы есікке соқтығысып тоқтайды. Дегенмен, тіреудің габариттері гаражға сыймайтындай үлкен болғандықтан, артқы есікке соқтығысып тоқтаған кезде, тіреудің артқы жағы әлі алдыңғы есікке жетпеген болады. Бұл парадоксқа ұқсайды. Сұрақ: тіреудің артқы жағы есіктен өте ме, жоқ па? Қиындық көбінесе тіреудің қатаң (яғни, пішінін сақтайтын) деген болжамнан туындайды. Күнделікті өмірде тіреулер қатаң болып көрінеді. Бірақ толыққандай қатаң болу үшін, ол күшті шексіз жылдамдықпен жеткізуі керек (яғни, бір жағынан итергенде, екінші жағы дереу реакция беруі керек, әйтпесе тіреу деформацияланады). Бұл ерекше салыстырмалылық теориясына қайшы келеді, ол ақпарат жарық жылдамдығынан жылдам қозғала алмайды деп мәлімдейді (бұл біз үшін күнделікті өмірде байқауға тым жылдам, бірақ тіреу сценарийінде маңызды). Сондықтан, ерекше салыстырмалылық теориясы бойынша, ешбір зат толыққандай қатаң бола алмайды. Осы жағдайда, тіреудің алдыңғы жағы артқы есікке соқтығысқан кезде, тіреудің артқы жағы оны әлі білмейді, сондықтан ол алға жылжи береді (және тіреу "қысылады"). Гараждың координаттық жүйесінде де, тіреудің инерциялық жүйесінде де, артқы жағы соқтығысу кезінде қозғала береді, кем дегенде тіреудің артқы жағы соқтығысудың жарық конусына кіретін нүктеге дейін (яғни, соқтығысу нүктесінен жарық жылдамдығымен артқа қарай қозғалатын күш оған жететін нүктеге дейін). Осы кезде тіреу бастапқы қысқарған ұзындығынан да қысқа болады, сондықтан артқы жағы гараждың ішінде болады. Екі координаттық жүйедегі есептеулер осыны көрсетеді. Күш тіреудің артқы жағына жеткеннен кейін не болатыны (диаграммадағы "жасыл" аймақ) нақты көрсетілмеген. Физикалық қасиеттеріне байланысты, тіреу жұлынып кетуі мүмкін; немесе, егер ол жеткілікті серпімді болса, бүгіліп, бастапқы ұзындығына дейін қайта кеңейе алады. Жеткілікті жоғары жылдамдықтарда, кез келген нақты материал зор күшпен плазмаға айналып жарылады.

Адамның решетке құлау вариациясы

Парадокстың бұл ерте нұсқасын бастапқыда Вольфганг Риндлер ұсынды және шешті, ол жылдам басып жүретін адамды, таяқ түрінде бейнеленген, торға құлап түсуін қарастырады. Таяқ, төмен қарай үдеу бірдей және бір мезгілде таяқтың барлық нүктесіне қолданылғанға дейін, тордың санау жүйесінде тордың үстіне толығымен орналасқан деп есептеледі. Тордың көзқарасынан қарағанда, таяқ ұзындығы бойынша қысқарады және торға сыяды. Бірақ таяқтың көзқарасынан, ұзындығы қысқаратын – тор, сондықтан таяқ құлап кету үшін тым ұзын болып көрінеді. Тордың санау жүйесінде бір мезгілде болатын таяқтың төмен қарайғы үдеуі, таяқтың санау жүйесінде бір мезгілде болмайды. Таяқтың санау жүйесінде, таяқтың алдыңғы бөлігі бірінші болып төмен қарай үдеуге ие болады (суреттегі 3-ші ұяшықта көрсетілген), және уақыт өте келе, таяқтың көбірек бөлігі төмен қарай үдеуке түседі, соңында таяқтың артқы бөлігі де төмен қарай үдеуге ие болады. Бұл таяқтың санау жүйесінде таяқтың иілуіне әкеледі. Бұл иілу таяқтың тыныштық санау жүйесінде болғандықтан, таяқтың нақты физикалық деформациясы болып табылады, бұл таяқта кернеу тудырады. Таяқтың қатаң емес мінез-құлқы байқалуы үшін, таяқ өзі де, тор да осылайша өлшенуі мүмкін масштабта болуы керек.

Шлюх пен сақина парадоксы

Тек инерциялық жүйелерді қамтитын, таяқ пен тор парадоксынан өте ұқсас, бірақ қарапайым проблема – "қосқан және сақина" парадоксы (Ferraro 2007). Таяқ пен тор парадоксы күрделі: ол инерциялық емес анықтамалық жүйелерді қамтиды, өйткені бір сәтте адам көлденең қозғалады, ал бір сәтте ол төмен қарай құлайды; және ол адамның (немесе сегменттелген таяқтың) физикалық деформациясын қамтиды, өйткені таяқ бір анықтамалық жүйеде иілген, ал екіншісінде түзу. Мәселенің бұл аспектілері "парадокстың" нағыз мәнін жасыратын таяқтың қатаңдығымен байланысты қиындықтарды тудырады. "Қосқан және сақина" парадоксы осы қиындықтардан бос: сақинаның диаметрінен сәл үлкен ұзындығы бар қосқан, ұзын осі көлденең болатындай жоғары және оңға қарай қозғалады, ал сақина тұрақты және сақина жазықтығы да көлденең. Егер қосқанның қозғалысы белгілі бір сәтте оның ортасы сақинаның ортасымен сәйкес келсе, онда қосқанның алға бағытталған қозғалысының әсерінен Лоренц жиырылуына ұшырайды және сақинадан өтеді. Парадокс қосқанның тыныш жүйесінде мәселені қарастырғанда туындайды. Сақина енді төмен және солға қарай қозғалады, және оның көлденең ұзындығы Лоренц жиырылуына ұшырайды, ал қосқан мүлдем жиырылмайды. Қосқан сақинадан қалай өтеді? Парадокстың шешімі тағы да бірмезгілде болудың салыстырмалылығында жатыр (Ferraro 2007). Физикалық дененің ұзындығы дене екі шетінде бірмезгілде болатын екі оқиға арасындағы қашықтық ретінде анықталады, ал бірмезгілде болу салыстырмалы болғандықтан, осы ұзындық та салыстырмалы. Осы ұзындықтың өзгеруі – Лоренц жиырылуы. Сол сияқты, физикалық бұрыш үш бірмезгілде болатын оқиғалар құрайтын бұрыш ретінде анықталады, және бұл бұрыш та салыстырмалы шама болады. Аталған парадокста, таяқ пен сақина жазықтығы сақинаның тыныш жүйесінде параллель болса да, таяқтың тыныш жүйесінде параллель емес. Жиырылмаған таяқ Лоренц жиырылған сақинадан өтеді, өйткені сақина жазықтығы таяққа қатысты таяқтың өтуіне жеткілікті мөлшерде бұрылады. Математикалық тұрғыдан алғанда, Лоренц түрлендіруін кеңістіктік айналудың және кеңістіктік айналуды қамтымайтын "дұрыс" Лоренц түрлендіруінің көбейтіндісіне бөлуге болады. Қосқан және сақина парадоксының математикалық шешімі екі Лоренц түрлендіруінің (көлденең және тік) көбейтіндісі дұрыс (диагональді) Лоренц түрлендіруін емес, кеңістіктік айналу компонентін қамтитын түрлендіруді тудыруы мүмкін деген фактіге негізделген.