Mục đích chính của thí nghiệm tư tưởng có tên "Nghịch lý song sinh" là bác bỏ tính logic và tính hợp lệ của thuyết tương đối hẹp (SRT). Điều đáng nói ngay là thực ra không có câu hỏi nào về nghịch lý, và bản thân từ này xuất hiện trong chủ đề này vì bản chất của thử nghiệm suy nghĩ ban đầu đã bị hiểu sai.
Ý tưởng chính của SRT
Nghịch lý của thuyết tương đối (nghịch lý song sinh) nói rằng một người quan sát "đứng yên" cảm nhận các quá trình của các vật thể chuyển động là chậm lại. Theo cùng một lý thuyết, hệ quy chiếu quán tính (hệ quy chiếu trong đó chuyển động của các vật thể tự do xảy ra trên một đường thẳng và biến đổi đều, hoặc chúng đứng yên) tương đối bằng nhau.
Nghịch lý song sinh trong ngắn hạn
Có tính đến định đề thứ hai, có một giả định về sự không nhất quán của thuyết tương đối hẹp. Cho phépvấn đề này rõ ràng, nó đã được đề xuất để xem xét tình hình với hai anh em sinh đôi. Một người (có điều kiện - một khách du lịch) được gửi trên một chuyến bay vũ trụ và người kia (một người trong nhà) bị bỏ lại trên hành tinh Trái đất.
Công thức của nghịch lý sinh đôi trong những điều kiện như vậy thường nghe như thế này: theo người ở nhà, thời gian trên đồng hồ mà người du hành đang di chuyển chậm hơn, có nghĩa là khi anh ta trở về, (đồng hồ của người du lịch) sẽ tụt lại phía sau. Ngược lại, người du hành thấy Trái đất đang chuyển động so với anh ta (trên đó có một người ở nhà với đồng hồ của anh ta), và theo quan điểm của anh ta, chính anh trai của anh ta là người sẽ trôi qua thời gian chậm hơn.
Trên thực tế, cả hai anh em đều ở trong điều kiện ngang nhau, có nghĩa là khi họ ở cùng nhau, thời gian trên đồng hồ của họ sẽ giống nhau. Đồng thời, theo thuyết tương đối, chiếc đồng hồ của người du hành anh em nên tụt lại phía sau. Sự vi phạm đối xứng rõ ràng như vậy được coi là sự mâu thuẫn trong các quy định của lý thuyết.
Nghịch lý song sinh từ thuyết tương đối của Einstein
Năm 1905, Albert Einstein đã suy ra một định lý nói rằng khi một cặp đồng hồ đồng bộ với nhau tại điểm A, một trong số chúng có thể chuyển động dọc theo một quỹ đạo cong khép kín với tốc độ không đổi cho đến khi chúng lại tới điểm A (và điều này sẽ mất, chẳng hạn như t giây), nhưng tại thời điểm đến, chúng sẽ hiển thị ít thời gian hơn đồng hồ vẫn bất động.
Sáu năm sau, tình trạng nghịch lý của lý thuyết nàydo Paul Langevin cung cấp. Được "gói gọn" trong một câu chuyện bằng hình ảnh, nó nhanh chóng trở nên phổ biến ngay cả với những người khác xa với khoa học. Theo bản thân Langevin, sự mâu thuẫn trong lý thuyết được giải thích là do khi quay trở lại Trái đất, người du hành di chuyển với tốc độ rất nhanh.
Hai năm sau, Max von Laue đưa ra một phiên bản rằng không phải mômen gia tốc của một vật thể là đáng kể, mà là thực tế là nó rơi vào một hệ quy chiếu quán tính khác khi ở trên Trái đất.
Cuối cùng, vào năm 1918, Einstein đã có thể tự mình giải thích nghịch lý của hai anh em sinh đôi thông qua ảnh hưởng của trường hấp dẫn đối với thời gian trôi qua.
Giải thích về nghịch lý
Nghịch lý song sinh có một cách giải thích khá đơn giản: giả thiết ban đầu về sự bằng nhau giữa hai hệ quy chiếu là sai. Người du hành không luôn ở trong hệ quy chiếu quán tính (điều này cũng áp dụng cho câu chuyện với chiếc đồng hồ).
Do đó, nhiều người cảm thấy rằng thuyết tương đối hẹp không thể được sử dụng để hình thành nghịch lý song sinh một cách chính xác, nếu không sẽ dẫn đến các dự đoán không tương thích.
Mọi thứ đã được giải quyết khi lý thuyết tương đối rộng được tạo ra. Cô ấy đã đưa ra giải pháp chính xác cho vấn đề đang đặt ra và có thể xác nhận rằng ngoài một cặp đồng hồ đồng bộ, thì những chiếc đồng hồ đang chuyển động sẽ bị tụt lại phía sau. Vì vậy, nhiệm vụ nghịch lý ban đầu nhận được trạng thái của một nhiệm vụ bình thường.
Các vấn đề gây tranh cãi
Có những đề xuất rằngthời điểm gia tốc đủ lớn để thay đổi tốc độ của kim đồng hồ. Nhưng trong nhiều thử nghiệm thực nghiệm, người ta đã chứng minh được rằng dưới tác động của gia tốc, chuyển động của thời gian không tăng tốc hoặc chậm lại.
Do đó, đoạn quỹ đạo mà một trong hai anh em tăng tốc, chỉ thể hiện một số bất đối xứng xảy ra giữa khách du lịch và người nhà.
Nhưng câu nói này không thể giải thích lý do tại sao thời gian chậm lại đối với một vật thể chuyển động, chứ không phải đối với vật thể đứng yên.
Kiểm tra bằng thực hành
Các công thức và định lý nghịch lý song sinh mô tả chính xác, nhưng nó khá khó đối với một người bất tài. Đối với những người có xu hướng tin tưởng vào thực hành hơn là tính toán lý thuyết, nhiều thí nghiệm đã được thực hiện, mục đích là để chứng minh hoặc bác bỏ lý thuyết tương đối.
Trong một trường hợp, đồng hồ nguyên tử đã được sử dụng. Chúng có độ chính xác cao, và để có một quá trình giải đồng bộ tối thiểu, chúng sẽ cần hơn một triệu năm. Được đặt trong một chiếc máy bay chở khách, chúng bay vòng quanh Trái đất nhiều lần và sau đó cho thấy sự tụt hậu khá đáng kể so với những chiếc đồng hồ không bay đi đâu cả. Và điều này mặc dù thực tế là tốc độ chuyển động của mẫu đồng hồ đầu tiên khác xa ánh sáng.
Một ví dụ khác: tuổi thọ của các hạt muon (electron nặng) dài hơn. Các hạt cơ bản này nặng hơn các hạt thông thường vài trăm lần, mang điện tích âm và được hình thành ở lớp trên của khí quyển trái đất dohoạt động của các tia vũ trụ. Tốc độ di chuyển của chúng đối với Trái đất chỉ kém một chút so với tốc độ ánh sáng. Với tuổi thọ thực của chúng (2 micro giây), chúng có thể đã bị phân hủy trước khi chạm vào bề mặt hành tinh. Nhưng trong quá trình bay, chúng sống lâu hơn 15 lần (30 micro giây) và vẫn đạt được mục tiêu.
Nguyên nhân vật lý của nghịch lý và trao đổi tín hiệu
Vật lý giải thích nghịch lý sinh đôi bằng một ngôn ngữ dễ tiếp cận hơn. Trong suốt chuyến bay, cả hai anh em sinh đôi đều nằm ngoài phạm vi của nhau và thực tế không thể đảm bảo rằng đồng hồ của họ chuyển động đồng bộ. Có thể xác định chính xác mức độ chuyển động của đồng hồ của khách du lịch chậm lại nếu chúng ta phân tích các tín hiệu mà chúng sẽ gửi cho nhau. Đây là những tín hiệu thông thường về "thời gian chính xác", được biểu thị dưới dạng xung ánh sáng hoặc truyền video của mặt đồng hồ.
Bạn cần hiểu rằng tín hiệu sẽ không được truyền ở thì hiện tại mà đã ở quá khứ, vì tín hiệu truyền ở một tốc độ nhất định và phải mất một thời gian nhất định để truyền từ nguồn đến máy thu.
Có thể đánh giá chính xác kết quả của đối thoại tín hiệu chỉ tính đến hiệu ứng Doppler: khi nguồn di chuyển ra xa máy thu, tần số tín hiệu sẽ giảm và khi đến gần, nó sẽ tăng lên.
Xây dựng lời giải thích trong các tình huống nghịch lý
Có hai cách chính để giải thích những nghịch lý của những câu chuyện song sinh này:
- Chu đáoxem xét các cấu trúc lôgic hiện có để tìm các mâu thuẫn và xác định các lỗi lôgic trong chuỗi suy luận.
- Thực hiện tính toán chi tiết để đánh giá thực tế thời gian giảm tốc theo quan điểm của từng anh em.
Nhóm đầu tiên bao gồm các biểu thức tính toán dựa trên SRT và được ghi trong hệ quy chiếu quán tính. Ở đây giả thiết rằng các mômen liên quan đến gia tốc của chuyển động là rất nhỏ so với tổng chiều dài chuyến bay nên chúng có thể bị bỏ qua. Trong một số trường hợp, họ có thể đưa vào hệ quy chiếu quán tính thứ ba, hệ quy chiếu này chuyển động theo hướng ngược lại so với người du hành và được sử dụng để truyền dữ liệu từ đồng hồ của anh ta đến Trái đất.
Nhóm thứ hai bao gồm các tính toán được xây dựng có tính đến thực tế là các mômen chuyển động có gia tốc vẫn tồn tại. Bản thân nhóm này cũng được chia thành hai nhóm phụ: một nhóm sử dụng lý thuyết hấp dẫn (GR), và nhóm kia thì không. Nếu có liên quan đến thuyết tương đối rộng, thì giả thiết rằng phương trình chứa trường hấp dẫn, tương ứng với gia tốc của hệ và sự thay đổi của tốc độ thời gian được tính đến.
Kết
Tất cả các cuộc thảo luận liên quan đến nghịch lý tưởng tượng chỉ là do một lỗi logic có vẻ như. Cho dù điều kiện của bài toán có được xây dựng như thế nào đi chăng nữa thì cũng không thể đảm bảo rằng anh em thấy mình ở trong điều kiện hoàn toàn đối xứng. Điều quan trọng là phải xem xét rằng thời gian chậm lại chính xác trên các đồng hồ đang chuyển động, đồng hồ này phải trải qua sự thay đổi trong hệ quy chiếu, bởi vìđồng thời của các sự kiện là tương đối.
Theo quan điểm của mỗi anh em có hai cách để tính thời gian đã trôi chậm lại: sử dụng các thao tác đơn giản nhất trong khuôn khổ của thuyết tương đối hẹp hoặc tập trung vào hệ quy chiếu phi quán tính.. Kết quả của cả hai chuỗi tính toán có thể nhất quán lẫn nhau và có vai trò như nhau để xác nhận rằng thời gian trôi chậm hơn trên một chiếc đồng hồ đang chuyển động.
Trên cơ sở này, có thể giả định rằng khi thí nghiệm suy nghĩ được chuyển thành hiện thực, người thay thế vị trí của một người ở nhà sẽ thực sự già đi nhanh hơn so với khách du lịch.
