Центральним принципом спеціальної теорії відносності (СТО) є ідея про те, що досвід часу - локальне явище. Кожен об'єкт у точці простору може розташовуватися у своїй власній версії часу, який плине швидше або повільніше, залежно від вихідної геометрії і точки відліку.
Наприклад, відносні зміни в досвіді часу відбуваються у випадках, коли один об'єкт рухається до іншого об'єкта або обидва віддаляються один від одного. "Уповільнення часу" може призвести до того, що годинник працюватиме на різних швидкостях у різних локаціях.
Припустимо, у нас є два годинники: A і B, які дуже точні. Годинник А стоїть на місці, тоді як годинник В ледь помітно до нього наближається. Коли B проходить точку A, ми бачимо, що вони ідеально синхронізовані. Потім годинник B продовжує йти від A, як показано нижче. СТО говорить нам, що, оскільки B віддаляється від A, то його час працюватиме повільніше, ніж A, і поступово відставатиме.
Але ось питання: B віддаляється від A чи A віддаляється від B? Оскільки швидкість відносна, то немає способу дізнатися абсолютно точну відповідь.
ілком можливо, A має працювати повільніше, ніж B; або, можливо, обидва вимірювальні прилади функціонують повільніше, але відносно один одного. Таке припущення здається абсурдним, і кидає виклик усій логіці. Інакше кажучи: A> B, тому що B> A, що неможливо. Щоб трохи ускладнити ситуацію, додамо третій годинник: A, B і C.
Як і раніше, A стоїть на місці, B рухається праворуч. C тим часом прямує вліво від A з рівною і протилежною швидкістю B. СТО говорить нам, що C і B повинні записувати час повільніше, ніж A, тоді як A "сповільнюється" тією самою мірою щодо C і B.
Це також говорить нам, що C має йти повільніше, ніж B, але більшою мірою, ніж відносно А, і аналогічно B має сповільнюватися щодо C. Математично це виглядає так:>в і в> і с > і>с і с>>Б і в>>с.
Близнюки
Історія, яку часто розповідають, щоб продемонструвати наслідки уповільнення часу СТО, - це історія мандрівних близнюків; явище відоме як парадокс близнюків.
Це виглядає приблизно так: пара ідентичних близнюків, названих Альфа і Бета, вирішують до найближчої зірки, де було виявлено нову планету.
Планета розташована на відстані 10 світлових років від Землі, і близнюки мають у своєму розпорядженні космічний корабель, здатний летіти зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Однак на кораблі поміщається один пасажир. Тому було вирішено, що Альфа залишається вдома, поки Бета вирушає в подорож один. За їхніми оцінками, подорож в обидва кінці займає близько 20 років.
Подорож починається. Опинившись поза гравітацією Землі, корабель розганяється і досягає субсвітової швидкості приблизно через роки. Щоб відповідати межі швидкості СТО, скажімо, що максимальна швидкість корабля становить 99,99% швидкості світла.
Потім корабель пливе з постійною швидкістю протягом наступних 10 років. Коли він наближається до планети, він сповільнюється з тією ж швидкістю, поки не зупиниться. Потім Бета виходить, фотографує, збирає зразки тощо, повертається на корабель і вирушає додому. Зворотна подорож слідує тій самій схемі прискорення, що й раніше, поки не досягне Землі.
Графік швидкості корабля матиме такий вигляд:
Корабель Бети повертається на Землю. Альфа очікує на свого брата. Ми бачимо, що він помітно змінився. Час зістарив його. Водночас Альфа мало змінився порівняно з днем, коли він полетів.
У той час як усі на Землі прожили свої двадцять років, Бета постарів на 1 рік. Усі прилади часу корабля також майже не рухалися порівняно з годинником на Землі. СТО говорить нам, що Бета пережив уповільнення часу. Що ближче швидкість корабля до швидкості світла, то повільніше ставав годинник і то повільніше він старів порівняно з Альфою. Бета не усвідомлював цього, бо всі його тілесні функції і навіть думки сповільнювалися аналогічним чином. Але момент відносності...
Бета віддалялася від Альфи чи Альфа віддалявся від Бети? Як класична механіка, так і СТО кажуть нам, що швидкість не має абсолютної міри і може бути виміряна тільки відносно чогось іншого. Бета дивиться у своє заднє вікно і бачить, що Альфа відходить від нього з тією ж швидкістю, з якою Альфа бачить, як корабель Бети віддаляється від Землі. Ось таким чином:
Или:
То чому б Альфі не залишитися молодим і не дозволити Беті старіти? Це те саме. Або давайте так: коли корабель повернеться, хто з них молодший? Та ж сама ситуація, що і з рухомим годинником. Хоча є одна відмінність.
Ефекти прискорення
Противники наведеного вище аргументу можуть вказати, що ми не можемо просто поміняти ролі Альфи і Бети, тому що між ними є різниця, бо Бета зазнав прискорення, а Альфа - ні. Це правда. Бета рухався із субсвітловою швидкістю, а також зазнав прискорення/уповільнення при "перемиканні" між швидкостями спокою і світла. Однак саме прискорення не пояснює різницю в часі з таких причин.
1. Розрахунки уповільнення часу засновані головним чином на швидкості, а не на прискоренні. Якщо швидкість не була проблемою, то не мало б великого значення, на скільки максимальною виявиться швидкість корабля - 90% або 99,99% від C. Але коефіцієнт Лоренца для 0,9 с (γ= 2,3) сильно відрізняється від 0,9999 с (γ=71) 2. Прискорення/уповільнення відбувається тільки протягом коротких періодів поїздки - див. діаграму швидкості вище.
2. Якщо прискорення було вирішальним фактором для сповільнення часу, то не було б жодної різниці, якби пункт призначення знаходився на відстані 20 світлових років замість 10. Може ми могли б просто видалити крейсерську частину поїздки, тобто відразу сповільнитися після досягнення максимальної швидкості, і отримати той самий результат.
3. Прискорення, яке відчуває Бета, - м'яке, тільки сила тяжіння Землі. Якби прискорення такого легкого ступеня могло б дозволити Беті позбавити його 20 років життя, то ми могли б сидіти в центрифузі та домогтися того ж самого ефекту. Оскільки напрямок прискорення неважливий (сумарне прискорення шляху Бети дорівнювало нулю), не повинно мати значення, що прискорення центрифуги постійно змінює напрямок.
Аргументи
Що приводить нас до стандартного пояснення цієї аномалії, відомого як "прискорені та інерційні системи відліку". За цією логікою, Бета перемістився в інший "часовий інтервал" через своє початкове прискорення, тоді як Альфа залишився в колишній системі координат. Відповідно, Бета зазнав уповільнення часу, але не Альфа. Важливим моментом є фактор швидкості.
Тут прискорення - те, що дозволяє "сповільнювати" час. Щоправда, з логічного погляду це не має сенсу, оскільки нічого не говорить про швидкість самого прискорення. Виходить, що, хоча нульове прискорення не змінить "систему відліку", ненульове прискорення будь-якої величини внесе свої корективи. Наприклад, прискорення Бети може бути в мільярд трильйонів разів слабкішим за земне тяжіння, але це все, що потрібно для того, щоб Бета старів в 71 раз повільніше, ніж Альфа, а не навпаки.
Якщо прискорення було визначальним фактором ступеня розширення, то воно повинно бути включено в LT, що описує його. Але насправді це не так. З іншого боку, Альфа, залишений на Землі, не може стояти на місці і буде весь час прискорюватися. Коли Земля обертається, зокрема навколо Сонця, він також відчуває прискорення.
Навіть якщо він і Земля були якимось чином абсолютно нерухомі, молекули в його тілі постійно рухаються, а вібрація містить у собі прискорення. Тому аргумент, який віддає перевагу ненульовим тілам, що прискорюються, порівняно з нульовими прискорювальними, ніколи не може бути застосований у реальній ситуації.
Подвійні зміни в часі
Можна стверджувати, що уповільнення часу ще можливе, якщо воно торкнеться обох тіл однаково. Це не твердження СТО, але ідея для подальшої дискусії. У наведеному вище прикладі з двома годинниками, якщо обидва такти сповільнюються на одну й ту саму величину під час руху, кожен із них все одно показуватиме однаковий час.
Інакше кажучи, уповільнення часу могло статися, але у нас не було можливості дізнатися це. Цей аргумент правильний для двох годинників, але розвалюється на прикладі трьох приладів. У прикладі з трьома годинниками A, B і C, B працював повільніше, ніж A, але повільніше, ніж C. Таким чином, неможливо, щоб усі три такти сповільнювалися рівномірно.
Вектор часу
Останнє міркування - це ймовірність того, що сповільнення часу може відбутися, якщо воно зміниться залежно від напрямку.
Наприклад, Бета може старіти повільніше, ніж Альфа, подорожуючи далеко від Землі, а потім старіти швидше під час зворотної подорожі, відновлюючи свій вік, щоб відповідати Альфі. Кінцевим результатом є те, що відбулося б уповільнення часу, але жоден із близнюків не дізнається про це. Хоча така можливість зберігається для прикладу двох спостерігачів, аналогічний сценарій розвалюється на прикладі трьох близнюків.
Припустимо, у нас є три спостерігачі A, B і C, як на картинці.
A і C нерухомі відносно один одного, тоді як B відходить від A і наближається до C. Якщо сповільнення часу залежить від напрямку, то годинник B повинен рухатися повільніше, ніж A, але швидше, ніж C (або навпаки, як ви віддаєте перевагу), що суперечить геометрії між A і C, годинник яких повинен рухатися з однаковою швидкістю. Математично це представляється таким чином: A>B і B>C і A=C Ще одна неможливість.
Висновок
Прихильники СТО змусили б нас повірити, що фонтан молодості чекає на нас усередині високошвидкісного ракетного корабля або протягом усього життя невпинного реактивного польоту, якщо тільки ми зможемо зробити їх досить швидкими. Добре, якби це було правдою.
Виходячи з міркувань про те, що будь-яке зрушення в часі, яке може статися внаслідок рухомих тіл, повинно відбуватися однаково, оскільки кожне тіло рухається однаковою мірою відносно іншого, то таке уповільнення часу між рухомими тілами просто неможливе.
