Tujuan utama eksperimen pemikiran yang disebut "Paradoks Kembar" adalah untuk menyangkal logika dan validitas teori relativitas khusus (SRT). Perlu segera disebutkan bahwa sebenarnya tidak ada pertanyaan tentang paradoks apa pun, dan kata itu sendiri muncul dalam topik ini karena esensi dari eksperimen pemikiran pada awalnya disalahpahami.
Gagasan utama SRT
Paradoks teori relativitas (paradoks kembar) menyatakan bahwa seorang pengamat yang “tidak bergerak” merasakan proses benda bergerak melambat. Sesuai dengan teori yang sama, kerangka acuan inersia (kerangka di mana gerakan benda bebas terjadi dalam garis lurus dan beraturan, atau mereka diam) adalah relatif sama satu sama lain.
Singkatnya paradoks kembar
Dengan memperhatikan postulat kedua, ada asumsi tentang inkonsistensi teori relativitas khusus. Untuk memungkinkanmasalah ini jelas, diusulkan untuk mempertimbangkan situasi dengan dua saudara kembar. Satu (dengan syarat - seorang musafir) dikirim dalam penerbangan luar angkasa, dan yang lainnya (orang rumahan) ditinggalkan di planet Bumi.
Perumusan paradoks kembar dalam kondisi seperti itu biasanya terdengar seperti ini: menurut tinggal di rumah, waktu pada jam yang dimiliki musafir bergerak lebih lambat, yang berarti bahwa ketika dia kembali, dia (jam perjalanan) akan tertinggal. Pelancong, sebaliknya, melihat bahwa Bumi bergerak relatif terhadapnya (di mana ada orang rumahan dengan arlojinya), dan, dari sudut pandangnya, saudaranyalah yang akan menghabiskan waktu lebih lambat.
Faktanya, kedua bersaudara itu berada dalam kondisi yang sama, yang berarti ketika mereka bersama-sama, waktu pada jam mereka akan sama. Pada saat yang sama, menurut teori relativitas, seharusnya jam tangan saudara pengelanalah yang tertinggal. Pelanggaran terhadap simetri yang tampak seperti itu dianggap sebagai inkonsistensi dalam ketentuan teori.
Paradoks kembar dari teori relativitas Einstein
Pada tahun 1905, Albert Einstein menyimpulkan sebuah teorema yang menyatakan bahwa ketika sepasang jam yang sinkron satu sama lain berada di titik A, salah satunya dapat bergerak sepanjang lintasan tertutup yang melengkung dengan kecepatan konstan sampai mereka kembali mencapai titik tersebut. A (dan ini akan memakan waktu, misalnya, t detik), tetapi pada saat kedatangan mereka akan menunjukkan waktu yang lebih sedikit daripada jam yang tetap tidak bergerak.
Enam tahun kemudian, status paradoks teori inidiberikan oleh Paul Langevin. "Dibungkus" dalam cerita visual, segera mendapatkan popularitas bahkan di antara orang-orang yang jauh dari sains. Menurut Langevin sendiri, ketidakkonsistenan dalam teori dijelaskan oleh fakta bahwa, kembali ke Bumi, pengelana bergerak dengan kecepatan yang dipercepat.
Dua tahun kemudian, Max von Laue mengajukan versi bahwa bukan momen percepatan suatu objek yang signifikan, tetapi fakta bahwa ia jatuh ke kerangka acuan inersia yang berbeda ketika berada di Bumi.
Akhirnya, pada tahun 1918, Einstein mampu menjelaskan sendiri paradoks dua orang kembar melalui pengaruh medan gravitasi terhadap perjalanan waktu.
Penjelasan paradoks
Paradoks kembar memiliki penjelasan yang agak sederhana: asumsi awal kesetaraan antara dua kerangka acuan adalah salah. Pelancong tidak selalu berada dalam kerangka acuan inersia sepanjang waktu (hal yang sama berlaku untuk cerita dengan jam).
Akibatnya, banyak yang merasa bahwa relativitas khusus tidak dapat digunakan untuk merumuskan paradoks kembar dengan benar, jika tidak, prediksi yang tidak sesuai akan dihasilkan.
Semuanya terselesaikan ketika teori relativitas umum diciptakan. Dia memberikan solusi yang tepat untuk masalah yang dihadapi dan dapat memastikan bahwa dari sepasang jam yang disinkronkan, jam yang bergeraklah yang akan tertinggal. Jadi tugas yang awalnya paradoks ini mendapat status sebagai tugas biasa.
Masalah kontroversial
Ada saran yangmomen akselerasi cukup signifikan untuk mengubah kecepatan jam. Tetapi dalam berbagai pengujian eksperimental, terbukti bahwa di bawah pengaruh akselerasi, pergerakan waktu tidak dipercepat atau diperlambat.
Akibatnya, segmen lintasan, di mana salah satu saudara dipercepat, hanya menunjukkan beberapa asimetri yang terjadi antara pelancong dan orang rumahan.
Tetapi pernyataan ini tidak dapat menjelaskan mengapa waktu melambat untuk benda yang bergerak, dan bukan untuk sesuatu yang tetap diam.
Tes dengan latihan
Rumus dan teorema paradoks kembar menggambarkan dengan tepat, tetapi cukup sulit bagi orang yang tidak kompeten. Bagi mereka yang lebih cenderung mempercayai praktik daripada perhitungan teoretis, banyak eksperimen telah dilakukan, yang tujuannya adalah untuk membuktikan atau menyangkal teori relativitas.
Dalam satu kasus, jam atom digunakan. Mereka sangat akurat, dan untuk desinkronisasi minimum mereka akan membutuhkan lebih dari satu juta tahun. Ditempatkan di pesawat penumpang, mereka mengelilingi Bumi beberapa kali dan kemudian menunjukkan ketertinggalan yang cukup mencolok di belakang jam tangan yang tidak terbang ke mana pun. Dan ini terlepas dari fakta bahwa kecepatan pergerakan sampel pertama jam itu jauh dari cahaya.
Contoh lain: umur muon (elektron berat) lebih lama. Partikel elementer ini beberapa ratus kali lebih berat dari partikel biasa, bermuatan negatif dan terbentuk di lapisan atas atmosfer bumi karenaaksi sinar kosmik. Kecepatan gerakan mereka menuju Bumi hanya sedikit lebih rendah dari kecepatan cahaya. Dengan umur sebenarnya (2 mikrodetik), mereka akan meluruh sebelum menyentuh permukaan planet. Namun dalam proses terbang, mereka hidup 15 kali lebih lama (30 mikrodetik) dan tetap mencapai tujuan.
Penyebab fisik paradoks dan pertukaran sinyal
Fisika menjelaskan paradoks kembar dalam bahasa yang lebih mudah diakses. Selama penerbangan, kedua saudara kembar berada di luar jangkauan satu sama lain dan praktis tidak dapat memastikan bahwa jam mereka bergerak sinkron. Dimungkinkan untuk menentukan dengan tepat seberapa banyak pergerakan jam perjalanan melambat jika kita menganalisis sinyal yang akan mereka kirim satu sama lain. Ini adalah sinyal konvensional "waktu yang tepat", dinyatakan sebagai pulsa cahaya atau transmisi video dari tampilan jam.
Anda perlu memahami bahwa sinyal tidak akan ditransmisikan dalam present tense, tetapi sudah di masa lalu, karena sinyal merambat pada kecepatan tertentu dan membutuhkan waktu tertentu untuk berpindah dari sumber ke penerima.
Hasil dialog sinyal dapat dievaluasi dengan benar hanya dengan mempertimbangkan efek Doppler: ketika sumber menjauh dari penerima, frekuensi sinyal akan berkurang, dan ketika didekati, frekuensi akan meningkat.
Memformulasikan penjelasan dalam situasi paradoks
Ada dua cara utama untuk menjelaskan paradoks dari cerita kembar ini:
- Perhatianpertimbangan konstruksi logis yang ada untuk kontradiksi dan identifikasi kesalahan logis dalam rantai penalaran.
- Melakukan perhitungan terperinci untuk mengevaluasi fakta perlambatan waktu dari sudut pandang masing-masing saudara.
Grup pertama mencakup ekspresi komputasi berdasarkan SRT dan ditulis dalam kerangka acuan inersia. Diasumsikan di sini bahwa momen yang terkait dengan percepatan gerak sangat kecil dalam kaitannya dengan total panjang penerbangan sehingga dapat diabaikan. Dalam beberapa kasus, mereka dapat memperkenalkan kerangka acuan inersia ketiga, yang bergerak ke arah yang berlawanan dalam kaitannya dengan pelancong dan digunakan untuk mengirimkan data dari arlojinya ke Bumi.
Grup kedua mencakup perhitungan yang dibuat dengan mempertimbangkan fakta bahwa momen gerak dipercepat masih ada. Kelompok ini sendiri juga dibagi menjadi dua subkelompok: satu menggunakan teori gravitasi (GR), dan yang lainnya tidak. Jika relativitas umum terlibat, maka diasumsikan bahwa persamaan tersebut mengandung medan gravitasi, yang sesuai dengan percepatan sistem, dan perubahan kecepatan waktu diperhitungkan.
Kesimpulan
Semua diskusi yang terkait dengan paradoks imajiner hanya disebabkan oleh kesalahan logis yang tampak. Tidak peduli bagaimana kondisi masalah dirumuskan, tidak mungkin untuk memastikan bahwa saudara-saudara menemukan diri mereka dalam kondisi yang benar-benar simetris. Penting untuk mempertimbangkan bahwa waktu melambat justru pada jam yang bergerak, yang harus melalui perubahan kerangka acuan, karenakeserentakan peristiwa adalah relatif.
Ada dua cara untuk menghitung berapa banyak waktu yang telah melambat dari sudut pandang masing-masing saudara: menggunakan tindakan paling sederhana dalam kerangka teori relativitas khusus atau berfokus pada kerangka acuan non-inersia. Hasil dari kedua rantai perhitungan dapat saling konsisten dan sama-sama berfungsi untuk mengkonfirmasi bahwa waktu berjalan lebih lambat pada jam yang bergerak.
Atas dasar ini, dapat diasumsikan bahwa ketika eksperimen pikiran dipindahkan ke kenyataan, orang yang menggantikan orang rumahan memang akan menjadi tua lebih cepat daripada pengembara.
