Решение парадокса близнецов⁠⁠

кто не понял, курите мануал с лурка, доступней некуда:

Парадокс близнецов.

Другой парадокс касается эффекта замедления времени и звучит следующим образом:

Жили-были два брата-близнеца (одногодки) — Коля и Юра. Коля с юношества курил и бухал, якшался со всяким сбродом, в общем, пошёл по наклонной. А Юра вёл здоровый образ жизни, поступил в лётное училище, закончил его с золотой медалью и стал в конце концов космонавтом. Недолго думая, учёные посадили Юру на ракету, хорошенько разогнали и отправили его с почти световой скоростью к ближайшей звезде (допустим, на расстояние в один световой год) с заданием: прилететь, сфотать звезду и тут же улететь обратно на Землю. Заранее выкрутим параметры эксперимента до экстремальных, так легче будет рассуждать: Юра почти мгновенно разгоняется до почти световой скорости, долетает до звезды, почти мгновенно тормозится до состояния покоя, мгновенно фотографирует звезду, опять мгновенно разгоняется до почти световой скорости по направлению уже к Земле, летит до Земли, там почти мгновенно останавливается, выходит из ракеты и сразу в бар, обмывать морковным соком успех эксперимента, а там, как завсегдатай, уже в стельку пьяный в дверях лежит Коля. И вот, братья, кто с укоризной, а кто с мутным равнодушием в глазах, смотрят друг на друга. Что же они видят?

— Тебя, братик, не узнать как ты постарел!!! — восклицает Юра. — Вот он — наглядный вред беспорядочного образа жизни!

Если рассматривать эксперимент с точки зрения (из ИСО) Земли, то Юра два года провёл в полете, двигаясь с почти световой скоростью. По СТО мы знаем, что часы у Юры, с точки зрения Земли, в этом случае, все два года шли крайне замедленно (почти что стояли на месте). Поэтому вернётся он почти в том же возрасте, что и улетал — ну там, десять минут, допустим, по его часам всего прошло. Коля же находился всё это время почти что в состоянии покоя (ну, шлялся там по барам-ресторанам, но это явно со скоростью намного меньше световой, поэтому можно считать, что покоился) и всё это время усиленно старел со скоростью один год за год. То есть Коля по итогу эксперимента окажется почти на два года (за вычетом десять минут) старше брата-близнеца.

Вот на этом месте некоторые вспоминают про первый постулат Эйнштейна — о равноправии систем отсчёта — и говорят: но ведь в системе отсчёта Юры это он покоился, а Земля сперва улетала назад с почти световой скоростью, а потом летела обратно к ракете. Значит, с точки зрения Юры это на ней время было замедлено, а следовательно, более молодым должен стать пьяница Коля! Вот в этом утверждении многие и усматривают парадокс.

Ошибка тут в том, что люди вспоминают о первом постулате Эйнштейна совершенно напрасно. Дело в том, что первый постулат, хоть и, действительно, говорит о равноправии систем отсчёта, но делает это только для инерциальных систем отсчёта. Он явно подчеркивает, что распространяется ТОЛЬКО на инерциальные системы отсчёта (ИСО). Напомним, что ИСО — это такие системы отсчёта, которые связаны с телами, не испытывающими действия сил, то есть не подвергающимися ускорениям, а движущимися равномерно и прямолинейно (другими словами — покоящимися). Только в этих системах справедлив второй постулат об инвариантности скорости света, следовательно, только в них справедливы преобразования Лоренца, выведенные из второго постулата. В итоге замедление времени у Коли для Юры действительно будет иметь место — но только на тех участках пути, которые он летел равномерно-прямолинейно, то есть после разгонов и до торможений.

Пытливый и незашоренный ум ниспровергателя СТО в этом месте может заметить: но ведь с точки зрения Юры в его координатной сетке это не он ускорялся, а Земля ускорялась, так что опять-таки можно говорить о равноправии СО. Но это не так. В отличие от состояния равномерного прямолинейного движения, которое является относительным, то есть невозможно экспериментами установить для двух тел, двигающихся друг относительно друга, какое именно двигается, а какое именно покоится — сама постановка вопроса бессмысленна, — так вот, в отличие от этого, состояние ускорения НЕ относительно. Состояние ускорения легко обнаруживается опытами. Его легко почувствовать на себе в кресле ракеты по эффекту вжимания в это самое кресло. Юра будет отчётливо ощущать силу, вжимающую его в кресло в момент старта ракеты. Коля же в этот момент времени никакого вжимания чувствовать не будет. Никакого равноправия у их систем отсчёта при этом нет. Ускоряется именно Юра, а не Коля (хотелось бы заметить, что имеется в виду инерционное «вжимание», гравитация же одинаково вжимает обоих братьев в то, что под ними и в момент старта ракеты, и некоторое время после).

Большинство объяснений парадокса близнецов на этом останавливается. Мы выяснили, что СО близнецов были неравноправными — вот это неравноправие и выразилось в том, что один из близнецов постарел. На этом ставится точка. Часто замечают при этом, что рассмотреть мир глазами неинерциальной системы отсчёта (неИСО) может только ОТО, а СТО в них неправомерна. Доходит даже до утверждений, что неИСО в СТО рассмотреть невозможно вообще, иначе она превратится в ОТО. Но это уже устаревшая точка зрения, ОТО — это теория, расширяющая СТО до рассмотрения эффектов гравитации, и она довольно остроумно подводит неИСО под мнимое гравитационное поле, что легко, без изменения матаппарата, рассматривает неИСО-вость. Тем не менее, возможно, оставаясь полностью в рамках СТО, разработать матаппарат неИСО-вости без привлечения идей ОТО. То, что получается — тоже ненамного проще, чем формулы ОТО, но всё же попроще (и, кстати, местами очень похоже). И тоже полностью объясняет парадокс близнецов глазами Юры.

Так что же там происходит у Юры, когда он разгоняется/тормозится, то есть в те моменты, когда его СО является неИСО? Если вспомнить про относительность одновременности, вспомнить, что если системы отсчёта двигаются относительно друг друга, то события в них «рассинхронизированы по времени», вспомнить, что пока ракета ещё стояла — рассинхронизации не было, а когда она уже летит (после ускорения) — рассинхронизация уже имеет место, то становится понятно, что именно в момент ускорения и происходит процесс рассинхронизации. Если замостить всё расстояние до звезды синхронно тикающими часами, показывающими одно и то же время, пока ракета стояла, и начать разгоняться, то часы впереди направления ускорения начнут тикать быстрее, и тем быстрее, чем больше до них расстояние. Те часы, которые находятся сзади, начнут тикать медленнее, и тем медленнее, чем они ближе к основанию клина Риндлера. А за основанием клина начнут тикать ускоренно назад, и тем быстрее, чем дальше от них расстояние.

Вот и готово объяснение. В те моменты времени, когда Юра стартовал с Земли и когда он будет в конце эксперимента на ней тормозиться, расстояние до Земли будет нулевым, и эффекты неИСО-вости (рассинхронизации) заметны не будут. Но в те моменты, когда он будет тормозиться у звезды и ускоряться по направлению к Земле (ускорение в обоих случаях направлено на Землю), часы на Земле для Юры стремительно промотаются вперёд — как раз в сумме на эти два года, с поправкой на десять минут.

Парадокс интересен тем, что заставляет всё-таки рассматривать эффекты неИСО-вости, оставаясь в рамках более простой, чем ОТО, специальной теории относительности. Это на самом деле забавно, так как в эффектах неИСО-вости можно наблюдать такие страшные вещи, как горизонт событий, о котором мы знаем из ОТО по чёрным дырам.

Быдло и школота из этой секции тоже может сделать полезный для себя вывод: Коля постарел не потому, что он пил, курил и шлялся, так что никакого вреда эти вещи возрасту не несут. Так поднимем же за это стаканы!