L'objectif principal de l'expérience de pensée appelée "Twin Paradox" était de réfuter la logique et la validité de la théorie de la relativité restreinte (SRT). Il convient de mentionner tout de suite qu'il n'est en fait pas question de paradoxe, et le mot lui-même apparaît dans ce sujet parce que l'essence de l'expérience de pensée a été initialement mal comprise.
Idée principale de SRT
Le paradoxe de la théorie de la relativité (le paradoxe des jumeaux) stipule qu'un observateur "stationnaire" perçoit les processus des objets en mouvement comme ralentissant. Conformément à la même théorie, les référentiels inertiels (repères dans lesquels le mouvement des corps libres se produit en ligne droite et uniformément, ou ils sont au repos) sont égaux les uns par rapport aux autres.
Le paradoxe des jumeaux en bref
Compte tenu du deuxième postulat, il y a une hypothèse sur l'incohérence de la théorie restreinte de la relativité. Autoriserce problème clairement, il a été proposé d'examiner la situation avec deux frères jumeaux. L'un (conditionnellement - un voyageur) est envoyé sur un vol spatial, et l'autre (un casanier) est laissé sur la planète Terre.
La formulation du paradoxe des jumeaux dans de telles conditions ressemble généralement à ceci: selon le séjour à la maison, l'heure de l'horloge du voyageur ralentit, ce qui signifie que lorsqu'il revient, son (l'horloge du voyageur) sera en retard. Le voyageur, au contraire, voit que la Terre se déplace par rapport à lui (sur laquelle se trouve un casanier avec sa montre), et, de son point de vue, c'est son frère qui passera le temps plus lentement.
En fait, les deux frères sont dans des conditions égales, ce qui signifie que lorsqu'ils sont ensemble, l'heure sur leurs horloges sera la même. En même temps, selon la théorie de la relativité, c'est la montre du frère voyageur qui devrait prendre du retard. Une telle violation de la symétrie apparente était considérée comme une incohérence dans les dispositions de la théorie.
Paradoxe des jumeaux de la théorie de la relativité d'Einstein
En 1905, Albert Einstein en déduit un théorème qui stipule que lorsqu'une paire d'horloges synchronisées entre elles est au point A, l'une d'entre elles peut se déplacer le long d'une trajectoire courbe fermée à vitesse constante jusqu'à ce qu'elle atteigne à nouveau le point A (et cela prendra, par exemple, t secondes), mais au moment de l'arrivée, ils afficheront moins de temps que l'horloge qui est restée immobile.
Six ans plus tard, le statut paradoxal de cette théoriefourni par Paul Langevin. "Enveloppé" dans une histoire visuelle, il a rapidement gagné en popularité, même parmi les personnes éloignées de la science. Selon Langevin lui-même, les incohérences de la théorie s'expliquaient par le fait que, de retour sur Terre, le voyageur se déplaçait à une vitesse accélérée.
Deux ans plus tard, Max von Laue a proposé une version selon laquelle ce ne sont pas les moments d'accélération d'un objet qui sont significatifs, mais le fait qu'il tombe dans un référentiel inertiel différent lorsqu'il est sur Terre.
Enfin, en 1918, Einstein a pu expliquer lui-même le paradoxe de deux jumeaux par l'influence du champ gravitationnel sur le passage du temps.
Explication du paradoxe
Le paradoxe des jumeaux a une explication assez simple: l'hypothèse initiale d'égalité entre les deux cadres de référence est erronée. Le voyageur n'est pas resté tout le temps dans le référentiel inertiel (il en va de même pour l'histoire avec l'horloge).
En conséquence, beaucoup ont estimé que la relativité restreinte ne pouvait pas être utilisée pour formuler correctement le paradoxe des jumeaux, sinon des prédictions incompatibles en résulteraient.
Tout a été résolu lors de la création de la théorie de la relativité générale. Elle a donné la solution exacte au problème en question et a pu confirmer que sur une paire d'horloges synchronisées, ce sont celles en mouvement qui prendraient du retard. Ainsi, la tâche initialement paradoxale a reçu le statut de tâche ordinaire.
Problèmes controversés
Il y a des suggestions quile moment d'accélération est suffisamment important pour modifier la vitesse de l'horloge. Mais au cours de nombreux tests expérimentaux, il a été prouvé que sous l'influence de l'accélération, le mouvement du temps n'accélère ni ne ralentit.
En conséquence, le segment de la trajectoire, sur lequel l'un des frères a accéléré, ne montre qu'une certaine asymétrie qui se produit entre le voyageur et le casanier.
Mais cette affirmation ne peut pas expliquer pourquoi le temps ralentit pour un objet en mouvement, et pas pour quelque chose qui reste au repos.
Test par la pratique
Les formules et les théorèmes du paradoxe des jumeaux décrivent exactement, mais c'est assez difficile pour une personne incompétente. Pour ceux qui sont plus enclins à faire confiance à la pratique plutôt qu'aux calculs théoriques, de nombreuses expériences ont été menées, dont le but était de prouver ou d'infirmer la théorie de la relativité.
Dans un cas, une horloge atomique a été utilisée. Ils sont très précis et, pour une désynchronisation minimale, il leur faudra plus d'un million d'années. Placés dans un avion de passagers, ils ont fait plusieurs fois le tour de la Terre et ont ensuite montré un décalage assez notable par rapport à ces montres qui ne volaient nulle part. Et cela malgré le fait que la vitesse de déplacement du premier échantillon de l'horloge était loin d'être légère.
Autre exemple: la durée de vie des muons (électrons lourds) est plus longue. Ces particules élémentaires sont plusieurs centaines de fois plus lourdes que les particules ordinaires, ont une charge négative et se forment dans la couche supérieure de l'atmosphère terrestre en raison deaction des rayons cosmiques. La vitesse de leur déplacement vers la Terre n'est que légèrement inférieure à la vitesse de la lumière. Avec leur durée de vie réelle (2 microsecondes), ils se seraient décomposés avant de toucher la surface de la planète. Mais en train de voler, ils vivent 15 fois plus longtemps (30 microsecondes) et atteignent toujours le but.
Cause physique du paradoxe et échange de signaux
La physique explique le paradoxe des jumeaux dans un langage plus accessible. Pendant le vol, les deux frères jumeaux sont hors de portée l'un de l'autre et ne peuvent pratiquement pas s'assurer que leurs horloges se synchronisent. Il est possible de déterminer exactement à quel point le mouvement des horloges du voyageur ralentit si nous analysons les signaux qu'elles vont s'envoyer les unes aux autres. Ce sont des signaux conventionnels de "l'heure exacte", exprimés sous forme d'impulsions lumineuses ou de transmission vidéo du cadran de l'horloge.
Vous devez comprendre que le signal ne sera pas transmis au présent, mais déjà au passé, car le signal se propage à une certaine vitesse et il faut un certain temps pour passer de la source au récepteur.
Il est possible d'évaluer correctement le résultat du dialogue du signal en ne tenant compte que de l'effet Doppler: lorsque la source s'éloigne du récepteur, la fréquence du signal diminue et lorsqu'elle s'approche, elle augmente.
Formuler une explication dans des situations paradoxales
Il y a deux manières principales d'expliquer les paradoxes de ces histoires jumelles:
- Attentifexamen des constructions logiques existantes pour les contradictions et identification des erreurs logiques dans la chaîne de raisonnement.
- Effectuer des calculs détaillés pour évaluer le fait de la décélération du temps du point de vue de chacun des frères.
Le premier groupe comprend des expressions de calcul basées sur SRT et inscrites dans des référentiels inertiels. On suppose ici que les moments associés à l'accélération du mouvement sont si petits par rapport à la longueur totale du vol qu'ils peuvent être négligés. Dans certains cas, ils peuvent introduire un troisième référentiel inertiel, qui se déplace en sens inverse par rapport au voyageur et sert à transmettre les données de sa montre vers la Terre.
Le deuxième groupe comprend des calculs construits en tenant compte du fait que des moments de mouvement accéléré sont toujours présents. Ce groupe lui-même est également divisé en deux sous-groupes: l'un utilise la théorie de la gravitation (GR), et l'autre non. Si la relativité générale est impliquée, alors on suppose que l'équation contient le champ gravitationnel, qui correspond à l'accélération du système, et le changement de la vitesse du temps est pris en compte.
Conclusion
Toutes les discussions liées au paradoxe imaginaire ne sont dues qu'à une erreur logique apparente. Quelle que soit la formulation des conditions du problème, il est impossible de faire en sorte que les frères se retrouvent dans des conditions parfaitement symétriques. Il est important de considérer que le temps ralentit précisément sur les horloges mobiles, qui ont dû passer par un changement de référentiels, carla simultanéité des événements est relative.
Il y a deux manières de calculer combien de temps s'est ralenti du point de vue de chacun des frères: en utilisant les actions les plus simples dans le cadre de la théorie de la relativité restreinte ou en se concentrant sur des référentiels non inertiels. Les résultats des deux chaînes de calcul peuvent être cohérents entre eux et servir également à confirmer que le temps passe plus lentement sur une horloge en mouvement.
Sur cette base, on peut supposer que lorsque l'expérience de pensée est transposée dans la réalité, celui qui prend la place d'un casanier vieillira en effet plus vite que le voyageur.
