Пояснення парадоксу близнюків: де ховається розв'язок цією задачі

Хоча концепція "парадоксу близнюків" вже десятиліттями з’являється у науковій фантастиці, вона ґрунтується на реальних фізичних законах, перевірених експериментами та сучасними технологіями.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Згідно з теорією спеціальної теорії відносності, час не проходить з однаковою швидкістю для кожного спостерігача. Цей ефект називається уповільненням часу. Людина, що рухається з надзвичайно високою швидкістю, сприйматиме час повільніше, ніж та, що залишилася на Землі. Годинники, біологічні процеси і навіть людське сприйняття сповільняться для мандрівника.

Ця ідея стала популярною, оскільки пропонує один із небагатьох науково реалістичних методів міжзоряних подорожей. Подорож до зоряної системи, розташованої за 40 світлових років, з точки зору Землі тривала б щонайменше 40 років. Повернення додому додало б ще 40 років. Для людей на Землі під час місії минули б цілі покоління.

Однак фізика передбачає, що астронавти, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, відчуватимуть набагато менше часу на борту свого космічного корабля. Залежно від швидкості, подорож може здаватися мандрівникам місяцями або навіть годинами. Ця можливість надихнула багато науково-фантастичних історій про астронавтів, які повертаються додому і виявляють, що друзі та родина постаріли, тоді як вони залишилися відносно молодими.

Відомий "парадокс близнюків" намагається показати дивні наслідки цього ефекту. У типовому прикладі один близнюк залишається на Землі, а інший подорожує космосом зі швидкістю, близькою до швидкості світла, перш ніж повернутися додому. Коли вони зустрічаються, близнюк-мандрівник виявляється молодшим за того, хто залишився на Землі.

Спочатку ця ситуація здається простою, оскільки космічний мандрівник явно рухається швидше. Але проблема стає заплутаною, якщо розглядати її з точки зору астронавта. Усередині космічного корабля астронавт міг би стверджувати, що корабель нерухомий, тоді як Земля віддаляється з величезною швидкістю. Якщо рух є відносним, чому астронавт повинен старіти повільніше, а не людина на Землі?

Друга версія мисленого експерименту використовує двох астронавтів на ім’я Еш і Бі. Еш повільно рухається космосом, тоді як Бі прискорюється майже до швидкості світла. Кожен спостерігач бачить, як інший швидко віддаляється. Обидва очікували б, що годинник іншої людини йтиме повільніше. Проте фізика передбачає, що коли вони знову зустрінуться, Еш постаріє набагато більше, ніж Бі.

Це питання викликало плутанину навіть серед вчених після того, як Ейнштейн представив спеціальну теорію відносності. Деякі критики стверджували, що теорія має бути хибною, оскільки логічно неможливо, щоб обидва спостерігачі були молодшими один за одного.

Проте десятиліття експериментів підтвердили розрахунки Ейнштейна. Супутники GPS повинні враховувати релятивістські ефекти, щоб забезпечити точне визначення місцезнаходження, а частинки, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, неодноразово демонстрували вимірюване уповільнення часу в лабораторних експериментах.

Сам Ейнштейн стверджував, що ця ситуація насправді не є парадоксом. Одне з основних пояснень зосереджується на прискоренні. Спеціальна теорія відносності спочатку описувала ситуації без прискорення або гравітації.

У прикладі з близнюками космічний корабель Бі прискорився майже до швидкості світла, а потім сповільнився або змінив напрямок. Багато фізиків стверджують, що таке прискорення відокремило досвід Бі від досвіду Еша.

Інше пояснення вказує на розворот під час подорожі. Щоб близнюки змогли возз’єднатися, один з мандрівників повинен змінити напрямок руху. На думку деяких фізиків, ця зміна змінює систему відліку та створює різницю в пройденому часі.

Дебати щодо точного тлумачення тривають роками, але мало хто з фізиків сумнівається в кінцевому результаті. Якщо люди колись побудують космічний корабель, здатний рухатися навіть на невеликій частці швидкості світла, один з мандрівників дійсно повернеться молодшим за іншого.

Близнюки-космонавти з реального життя допомогли привернути увагу до цієї теми. Скотт Келлі та Марк Келлі обидва пройшли підготовку як космонавти НАСА і присвятили час космічним дослідженням. НАСА залучило братів до довгострокового дослідження після того, як Скотт Келлі провів майже рік на борту Міжнародної космічної станції, а Марк Келлі залишився на Землі.

Експеримент вимірював, як тривалий космічний політ вплинув на людський організм. Їхня майже ідентична ДНК дозволила дослідникам порівняти фізичні зміни з незвичайною точністю. Скотт Келлі також відчув незначний релятивістський ефект через свою швидкість на орбіті. Вчені підрахували, що він постарів приблизно на 8,6 мілісекунди менше, ніж його брат.

Ця різниця була надзвичайно малою, і люди не могли її безпосередньо помітити. Загальна теорія відносності також відіграла свою роль, оскільки гравітація також впливає на час. Сильніше гравітаційне поле Землі дещо уповільнило час для Марка Келлі, частково врівноважуючи ефекти орбітальної швидкості Скотта.

Головною метою дослідження НАСА був не сам парадокс близнюків. Дослідники насамперед прагнули з’ясувати, як тривале перебування в умовах мікрогравітації та космічного випромінювання впливає на людський організм. Отримані результати мали важливі наслідки для майбутніх місій на Марс та в інші частини Сонячної системи, де астронавти можуть проводити роки далеко від Землі.

Парадокс близнюків залишається одним із найяскравіших прикладів того, наскільки дивним може здаватися Всесвіт, якщо дивитися на нього крізь призму сучасної фізики. Хоча люди ще не можуть подорожувати зі швидкістю, близькою до швидкості світла, принципи, що лежать в основі уповільнення часу, вже впливають на роботу супутників, космічні місії та наукові експерименти.

Інші новини науки

• ChatGPT переконав колишнього поліцейського у тому, що той розкрив таємниці Всесвіту. Життя чоловіка розвалилося після того, як він став зацикленим на сплікуванні з чат-ботом, проводячи за цим заняттям по 16 годин на день.
• Вчені дослідили пошукові запити, пов'язані з дивними снами, та виявили цікаву закономірність. люди по всьому світу бачать одні й ті самі сни.

Під час написання цього матеріалу використано матеріали IFLScience.