Кіріспе
Физикада, егіздер парадоксы – арнайы салыстырмалылық теориясындағы бірдей егіздердің қатысуымен жүзеге асырылатын ой эксперименті. Олардың бірі жоғары жылдамдықты зымыранмен ғарышқа саяхат жасап, үйге оралғанда Жерде қалған егіздің көбірек қартайғанын көреді. Бұл нәтиже оқыс көрінеді, себебі әр егіз екіншісінің қозғалып жатқанын байқайды. Сондықтан, уақыттың өзгеруі мен салыстырмалылық принципін дұрыс емес және қарапайым түрде қолдану нәтижесінде әрқайсысы екіншісінің аз қартайғанын күтуі керек. Дегенмен, бұл жағдай арнайы салыстырмалылық теориясының стандартты шеңберінде шешіледі: саяхатшы егіздің траекториясы екі түрлі инерциялық жүйені қамтиды – біреуі бару жолы үшін, екіншісі қайту жолы үшін. Басқаша айтқанда, саяхатшы егіз үдеуге ұшырайды, бұл оны инерциялық емес бақылаушыға айналдырады. Екі көзқарас бойынша да егіздердің кеңістік-уақыт жолдары арасында симметрия жоқ. Сондықтан, егіздер парадоксы логикалық қайшылық ретінде парадокс емес. Егіздер парадоксын шешу мәселесі бойынша пікірталас әлі де жүріп жатыр. 1911 жылы Пол Лангевин бастағаннан бері осы парадокстың әртүрлі түсіндірмелері болды. Бұл түсіндірмелерді "әртүрлі жүйелердегі әртүрлі бірмезгілдік стандарттарының әсеріне назар аударатындар және [саяхатшы егіздің] үдеуін басты себеп ретінде көрсететіндер" деп жіктеуге болады. Макс фон Лау 1913 жылы саяхатшы егіздің екі бөлек инерциялық жүйеде болуы керек екенін – біреуі барып жатқанда, екіншісі қайтып келе жатқанда, осы жүйелердің ауысуы қартаю айырмашылығының себебі екенін дәлелдеді. Альберт Эйнштейн мен Макс Борнның түсіндірмелері гравитациялық уақыттың өзгеруін пайдаланып, қартаюды үдеудің тікелей салдары ретінде түсіндірді. Алайда, бұл әсерді түсіндіру үшін жалпы салыстырмалылық теориясының немесе тіпті үдеудің қажеті жоқ екені дәлелденді, себебі егер екі астронавт айналу нүктесінде бір-бірінен өтіп, сол жерде сағаттарын синхрондаса, әсер күшінде қалады. Айналу нүктесіндегі жағдайды бастапқы нүктеден алыстап бара жатқан және оған қарай келе жатқан екі бақылаушының бір-бірінен өтуі, бірінші бақылаушының сағат көрсеткіштерін екіншісіне беруі ретінде қарастыруға болады, екеуі де тұрақты жылдамдықты сақтайды және олардың саяхат уақыттары саяхаттың соңында қосылады.
In physics, the twin paradox is a thought experiment in special relativity involving identical twins, one of whom makes a journey into space in a high speed rocket and returns home to find that the twin who remained on Earth has aged more. This result appears puzzling because each twin sees the other twin as moving, and so, as a consequence of an incorrect and naive application of time dilation and the principle of relativity, each should paradoxically find the other to have aged less. However, this scenario can be resolved within the standard framework of special relativity: the travelling twin's trajectory involves two different inertial frames, one for the outbound journey and one for the inbound journey. Another way of looking at it is to realize the travelling twin is undergoing acceleration, which makes them a non inertial observer. In both views there is no symmetry between the spacetime paths of the twins. Therefore, the twin paradox is not actually a paradox in the sense of a logical contradiction. There is still debate as to the resolution of the twin paradox. Starting with Paul Langevin in 1911, there have been various explanations of this paradox. These explanations "can be grouped into those that focus on the effect of different standards of simultaneity in different frames, and those that designate the acceleration [experienced by the travelling twin] as the main reason". Max von Laue argued in 1913 that since the traveling twin must be in two separate inertial frames, one on the way out and another on the way back, this frame switch is the reason for the aging difference. Explanations put forth by Albert Einstein and Max Born invoked gravitational time dilation to explain the aging as a direct effect of acceleration. However, it has been proven that neither general relativity, nor even acceleration, are necessary to explain the effect, as the effect still applies if two astronauts pass each other at the turnaround point and synchronize their clocks at that point. The situation at the turnaround point can be thought of as where a pair of observers, one travelling away from the starting point and another travelling toward it, pass by each other, and where the clock reading of the first observer is transferred to that of the second one, both maintaining constant speed, with both trip times being added at the end of their journey.
Тарих
1905 жылы арнайы салыстырмалылық туралы атақты мақаласында Альберт Эйнштейн А және В нүктелерінде орналасқан екі тұрақты және синхронды сағат үшін, егер А нүктесіндегі сағат AB сызығы бойынша жылжытылып, В нүктесінде тоқтаса, А нүктесінен қозғалған сағат В нүктесіндегі сағаттан қалып қоятынын тұжырымдады. Ол бұл нәтиже A-дан B-ге дейінгі жол көпбұрышты немесе дөңгелек болған жағдайда да қолданылатынын мәлімдеді. Эйнштейн мұны кейбір адамдар ұсынғандай парадокс емес, арнайы салыстырмалылықтың табиғи салдары деп есептеді және 1911 жылы осы нәтижені қайталай келе, былай түсіндірді (физик Роберт Резниктің Эйнштейннің ойларына сәйкес): Эйнштейн: Егер біз тірі организмді бір қорапқа орналастырсақ, онда кез келген ұзақ сапардан кейін организмді бастапқы орнына қайтаруға болады, ал сол жерде қалған ұқсас организмдер бұл уақытқа дейін жаңа буынға ауысқан болар еді. Қозғалған организм үшін ұзақ сапардың уақыты тек бір сәт сияқты болады, егер қозғалыс шамамен жарық жылдамдығымен жүргізілсе. Егер тұрақты организм еркек болса, ал саяхатшы оның егіз інісі болса, онда саяхатшы үйге оралғанда, егіз інісінің өзімен салыстырғанда қатты қартайғанын көреді. Парадокс салыстырмалылықта екі егіздің бірі екіншісін саяхатшы деп есептеуі мүмкін деген пікірге негізделген, мұндай жағдайда әрқайсысы екіншісін жас деп табады – бұл логикалық қайшылық. Бұл пікір егіздердің жағдайы симметриялық және бір-біріне ауыстырылатындығын болжайды, бұл дұрыс емес. Сонымен қатар, Эйнштейннің болжамын растайтын тәжірибелер жүргізілді. 1911 жылы Пол Лангевин Лоренц коэффициентімен (жарық жылдамдығының 99,995%) саяхат жасайтын саяхатшының оқиғасын сипаттап, «көрнекті мысал» келтірді. Саяхатшы бір жыл бойы снарядта болады, содан кейін бағытын өзгертеді. Қайтып келгенде, саяхатшы өзінің екі жыл қартайғанын, ал Жерде 200 жыл өткенін көреді. Сапар барысында саяхатшы да, Жер де бір-біріне тұрақты жылдамдықпен сигналдар жібереді, бұл Лангевиннің оқиғасын егіздер парадоксының Доплер эффектісіне негіделген нұсқаларының қатарына жатқызады. Сигналдар жылдамдығына қатысты релятивистік эффектілер әртүрлі қартаю жылдамдықтарын есепке алу үшін қолданылады. Асимметрия тек саяхатшы ғана үдеуге ұшырағандықтан пайда болды, сондықтан қандай да бір айырмашылықтың болуын түсіндіруге болады, өйткені «кез келген жылдамдық өзгерісі немесе үдеу абсолютті мәніне ие». Макс фон Лауэ (1911, 1913) Лангевиннің түсіндірмесін кеңейтті. Герман Минковскинің кеңістік-уақыт формализмін пайдаланып, Лауэ инерциялық қозғалатын денелердің әлемдік сызықтары екі оқиға арасындағы өткен уақытты барынша арттыратынын көрсетті. Ол сондай-ақ асимметриялық қартаюды толыққанды түрде екі бөлек жүйеде саяхаттайтын астронавт егізінің, ал Жер егізінің бір жүйеде қалуымен түсіндірді, сондай-ақ үдеу уақытын инерциялық қозғалыс уақытына қарағанда кез келген деңгейде кішірейтуге болады деп жазды. Соңында, Лорд Холсбери және басқалар «үш бауырлас» тәсілін енгізе отырып, кез келген үдеуді жойды. Саяхатшы егіз өзінің сағатын үшіншісіне береді, ол кері бағытта саяхаттап жатыр. Үдеу эффектісінен құтылудың тағы бір жолы – релятивистік Доплер эффектін пайдалану. Эйнштейн де, Лангевин де мұндай нәтижелерді мәселелі деп санамады: Эйнштейн оны тек «ерекше» деп атады, ал Лангевин оны абсолютті үдеудің салдары ретінде ұсынды. Екеуі де егіздер оқиғасында көрсетілген уақыт айырмашылығынан ешқандай өзіне қайшылық туындамайтынын дәлелдеді. Басқаша айтқанда, Эйнштейн де, Лангевин де егіздер оқиғасын релятивистік физиканың өзіне сәйкестігіне қарсылық ретінде қарастырмады.
Einstein: If we placed a living organism in a box one could arrange that the organism, after any arbitrary lengthy flight, could be returned to its original spot in a scarcely altered condition, while corresponding organisms which had remained in their original positions had already long since given way to new generations. For the moving organism, the lengthy time of the journey was a mere instant, provided the motion took place with approximately the speed of light. Resnick: If the stationary organism is a man and the traveling one is his twin, then the traveler returns home to find his twin brother much aged compared to himself. The paradox centers on the contention that, in relativity, either twin could regard the other as the traveler, in which case each should find the other younger—a logical contradiction. This contention assumes that the twins' situations are symmetrical and interchangeable, an assumption that is not correct. Furthermore, the accessible experiments have been done and support Einstein's prediction. In 1911, Paul Langevin gave a "striking example" by describing the story of a traveler making a trip at a Lorentz factor of (99.995% the speed of light). The traveler remains in a projectile for one year of his time, and then reverses direction. Upon return, the traveler will find that he has aged two years, while 200 years have passed on Earth. During the trip, both the traveler and Earth keep sending signals to each other at a constant rate, which places Langevin's story among the Doppler shift versions of the twin paradox. The relativistic effects upon the signal rates are used to account for the different aging rates. The asymmetry that occurred because only the traveler underwent acceleration is used to explain why there is any difference at all, because "any change of velocity, or any acceleration has an absolute meaning". Max von Laue (1911, 1913) elaborated on Langevin's explanation. Using Hermann Minkowski's spacetime formalism, Laue went on to demonstrate that the world lines of the inertially moving bodies maximize the proper time elapsed between two events. He also wrote that the asymmetric aging is completely accounted for by the fact that the astronaut twin travels in two separate frames, while the Earth twin remains in one frame, and the time of acceleration can be made arbitrarily small compared with the time of inertial motion. Eventually, Lord Halsbury and others removed any acceleration by introducing the "three brother" approach. The traveling twin transfers his clock reading to a third one, traveling in the opposite direction. Another way of avoiding acceleration effects is the use of the relativistic Doppler effect
Neither Einstein nor Langevin considered such results to be problematic: Einstein only called it "peculiar" while Langevin presented it as a consequence of absolute acceleration. Both men argued that, from the time differential illustrated by the story of the twins, no self contradiction could be constructed. In other words, neither Einstein nor Langevin saw the story of the twins as constituting a challenge to the self consistency of relativistic physics.
Нақты мысал
Жерден ең жақын жұлдыздық жүйеге саяхаттайтын ғарыш кемесін қарастырайық: арақашықтық – жыл, жылдамдық – (яғни, жарық жылдамдығының 80 пайызы). Есептеуді жеңілдету үшін, кеме жолға шыққанда бірден толық жылдамдыққа жетеді деп есептейміз (бірақ іс жүзінде 1 g үдеумен жылдамдыққа жетуге шамамен 9 ай қажет болады). Сол сияқты, барып келген сапардың соңында, кері сапарды бастау үшін қажетті бағыттың өзгеруі де бірден болады деп есептейміз. Бұл сондай-ақ, кеме эксперимент басталған кезде-ақ қозғалыста екендігін және кері оралу оқиғасы Дирак дельта функциясы арқылы үдеу ретінде модельденгенін ескере отырып да модельдеуге болады.
Жер перспективасы
Жердегі миссиялық бақылау осы сапарды былай түсіндіреді: қатынап қайту Жер уақыты бойынша 10 жылға созылады (яғни, кеме қайтып келгенде Жерде қалғандардың бәрі 10 жасқа үлкейеді). Кемедегі сағаттармен өлшенген уақыт мөлшері және саяхатшылардың сапар барысында қартаюы Лоренц коэффициентінің кері шамасымен (уақыттың ырғуы) азаяды. Бұл жағдайда және саяхатшылар олар қайтып келгенде ғана қартайып кетеді.
Саяхатшылардың пікірі
Кеме экипажының мүшелері де өздерінің көзқарастарынан саяхаттың ерекшеліктерін есептейді. Олар алыс жұлдыздар жүйесі мен Жердің сапар кезінде кемеге қатысты v жылдамдықпен қозғалатынын біледі. Олардың тынығу шеңберінде Жер мен жұлдыздық жүйе арасындағы қашықтық жыл (ұзындығының қысқаруы) құрайды, ол сыртқа және кері сапарлар үшін ортақ. Жолдың әр жартысы жарты жылға созылады, ал барлық сапар екі есе ұзаққа созылады (6 жыл). Олардың есептеулері бойынша, олар үйге 6 жылға қартайып оралады. Саяхатшылардың қартаю туралы соңғы есептеулері Жердегілердің есептеулерімен толық сәйкес келеді, бірақ олар сапарды үйде қалғандардан өте әртүрлі сезінеді.
Парадокс ерекше салыстырмалылық теориясында шешіледі
Егіздердің парадоксальды жағдайы мынадан туындайды: кез келген сәтте саяхатшы егіздің сағаты жерде қалған егіздің инерциялық қаптамасында баяу жүреді, бірақ салыстырмалылық принципіне сүйенсек, жерде қалған егіздің сағаты саяхатшы егіздің инерциялық қаптамасында баяу жүреді деп те айтуға болады. Ұсынылған шешімдердің бірі – жерде қалған егіз сапар бойы бір инерциялық қаптамада тыныштап отырады, ал саяхатшы егіз тыныштамайды. Ой экспериментінің ең қарапайым түрінде саяхатшы егіз сапардың ортасында бір бағытта (Жерден алысқа) қозғалатын инерциялық қаптамада тыныштап, кейін қарама-қарсы бағытта (Жерге қарай) қозғалатын инерциялық қаптамаға өтеді. Осы тұрғыдан алғанда, қай бақылаушы қаптаманы ауыстырады және қайсысы ауыстырмайды дегенді анықтау маңызды. Екі егіз де өз қаптамасында тыныштап отырамын деп заңды түрде мәлімдей алады, бірақ ғарыш кемесінің қозғалтқыштары іске қосылғанда, үдеуді тек саяхатшы егіз ғана сезінеді. Үдеу, акселерометрмен өлшенетін, оның тыныштап отырған қаптамасын уақытша инерциялық емес етеді. Бұл егіздердің көзқарастары арасындағы маңызды асимметрияны көрсетеді: біз екі көзқарас бойынша да қартаю айырмашылығын болжауға боламыз, бірақ дұрыс нәтиже алу үшін әртүрлі әдістерді қолдануымыз қажет.
Жылдамданудың рөлі
Кейбір шешімдер айналу кезінде саяхатшы егіздің үдеуіне маңызды рөл береді, ал басқалары әсердің екі жеке саяхатшыны көзге елестету арқылы туындайтынын көрсетеді: біреуі сыртқа, екіншісі ішке қарай жол тартады, олар бір-бірін өтіп, бір егіздің "айналуына" сәйкес келетін нүктеде сағаттарын синхрондастырады. Бұл түсіндіруде саяхатшы сағаттың физикалық үдеуі тікелей әсер етпейді; Мұндағы ұзындық – Лоренц инварианты ұзындығы немесе траекторияның "дұрыс уақыт аралығы", ол сол траекторияны бойлай қозғалған сағат өлшеген өткен уақытқа сәйкес келеді (қараңыз: төмендегі "Егіздердің кеңістік-уақыт жолдарының айырмашылығынан туындаған өткен уақыттың айырмашылығы" бөлімі). Минковский кеңістігінде саяхатшы егіз жерде қалған егізге қарағанда үдеулердің өзгеше тарихын сезінуі керек, тіпті бұл бірдей күштің әртүрлі уақыт аралығымен бөлінуін білдірсе де (жоғарыдағы мысалда 6,4 жыл).
Уақыт-кеңістік емес тәсіл
Жоғарыда айтылғандай, "барып-қайту" қос парадокс саяхатында "аттанған" астронавттан "қайтып келген" астронавтқа сағат көрсеткіштерінің мәліметі берілуі мүмкін, осылайша үдеудің әсері жойылады. Сондай-ақ, сағаттардың физикалық үдеуі арнайы салыстырмалылық теориясының кинематикалық эффектілеріне үлес қоспайды. Керісінше, арнайы салыстырмалылық теориясында екі қайта біріккен сағат арасындағы уақыттың айырмашылығы тек біркелкі инерциялық қозғалыс нәтижесінде туындайды, бұл туралы Эйнштейннің 1905 жылғы түпнұсқа салыстырмалылық мақаласында талқыланған.
Биологиялық қартаю мен сағат уақытын сақтаудың теңдестігі
Барлық процестер – химиялық, биологиялық, өлшеу аппаратының жұмыс істеуі, адамның көз бен миды қатыстыратын сезіну, күштің берілуі – жарық жылдамдығымен шектеледі. Әр деңгейде жарық жылдамдығына және тіпті атомдық деңгейдегі кешігуге байланысты сағат жұмыс істейді. Сондықтан биологиялық қартаю, уақытты өлшеуден ешқандай айырмасы жоқ. Бұл биологиялық қартаюдың сағат сияқты баяулайтынын білдіреді.
Қалай көрінеді: салыстырмалы Допплер ауытқуы
Ғарыш кеңістігіндегі әр түрлі орналасқан оқиғалар үшін бір мезгілділіктің координаталық жүйеге тәуелділігін ескере отырып, кейбір зерттеулер көбірек феноменологиялық тәсілді ұсынады, яғни егер егіздердің әрқайсысы белгілі бір уақыт интервалымен тұрақты радио импульстарды жіберсе, олар не байқайтынын сипаттайды. Саяхатшының тұрғысынан алғанда, айналуды ескермей, әрбір жеке кезең үшін есептеу жүргізгенде, Жердегі сағаттар саяхатшыға қарағанда аз қартайыпты көрінеді. Мысалы, егер Жердегі сағаттар әрбір кезеңде 1 күнге аз қартайса, онда Жердегі сағаттардың қалып қою мөлшері 2 күнге жетеді. Айналу кезінде болып жатқан жағдайдың физикалық сипаттамасы осы мөлшердің екі еселенген кері әсерін тудыруы керек, яғни Жердегі сағаттарды 4 күнге алға жылжыту. Осылайша, саяхатшының сағаты Жердегі сағаттардан 2 күнге қалып қояды, бұл үйде қалған егіздің есебіндегі есептеулермен сәйкес келеді. Үйде қалған егіздің сағатын алға жылжыту механизмі – гравитациялық уақыттың өзгеруі. Егер бақылаушы инерциялық қозғалатын денелердің өзіне қатысты үдеп қозғалып жатқанын анықтаса, олар гравитациялық өрісте болады, салыстырмалылық теориясына сәйкес. Саяхатшы егіз айналу кезінде бұл гравитациялық өріс ғаламды толтырады. Әлсіз өріс жағдайында сағаттар Φ гравитациялық потенциалының айырмашылығымен анықталатын жылдамдықпен жүреді. Бұл жағдайда g – саяхатшы бақылаушының айналу кезіндегі үдеуі, ал h – үйде қалған егізге дейінгі қашықтық. Ракета үйде қалған егізге қарай ұшып барады, осылайша оған жоғары гравитациялық потенциал беріледі. Егіздер арасындағы үлкен қашықтыққа байланысты, үйде қалған егіздің сағаттары егіздердің сезінген уақытының айырмашылығын түсіндіру үшін жеткілікті жылдамдықпен жүреді. Бұл жылдамдық жоғарыда сипатталған бір мезгілділіктегі өзгерісті түсіндіру үшін жеткілікті. Статикалық біртекті гравитациялық өріс үшін жалпы салыстырмалылық шешімі және шекті үдеу үшін арнайы салыстырмалылық шешімі бірдей нәтижелер береді. Саяхатшы егіз үшін (немесе кейде үдейтін кез келген бақылаушы үшін) эквиваленттілік принципіне және ешқандай гравитациялық өріске қатысты емес басқа есептеулер де жасалды. Мұндай есептеулер салыстырмалылық теориясының жалпы емес, тек арнайы теориясына негізделген. Бір тәсіл Германн Бондидің k-саны туралы идеясына сәйкес, жарық импульстарын қарастыра отырып, бір мезгілділіктің беттерін есептейді. Екінші тәсіл үйде қалған сағатта өткен уақытты анықтау үшін тікелей, бірақ техникалық тұрғыдан күрделі интегралды есептейді. Бұл екінші тәсілдің сипаттамасы төмендегі бөлек бөлімде келтірілген.