Naturen er full av fantastiske ting og paradokser. Og en av dem, assosiert med bevegelse med lysets hastighet, kalles "tvillingenes paradoks".
Du er sannsynligvis kjent med fenomenet halveringstid: mange subatomære partikler er ustabile og etter kort tid forfall (transformeres til noe annet). Halveringstiden til en partikkel er tiden det trenger å "vente" for å oppnå 50% sjanse for forfall.
For eksempel er halveringstiden for muoner 2,2 mikrosekunder. Hvis du hadde 100 muon, ville det bare være 50 muon igjen i 2,2 mikrosekunder, ikke sant? Faktisk ikke nødvendigvis.
2,2 mikrosekunder er tiden som er gått for en muon. Hvis du har en håndfull 100 stasjonære muoner, vil det være rundt 50 etter 2,2 mikrosekunder., 66 sekunder.
Det viser seg at dette også gjelder muoner. Så hvis de 100 muonene dine ikke er statiske, men beveger seg i en partikkelakselerator med 50% lyshastighet, vil det etter 2,2 mikrosekunder fra din side være omtrent 1,9 mikrosekunder for muoner. Dette betyr at du på dette tidspunktet vil ha omtrent 55 muon.
I referanserammen din passerte 2,54 mikrosekunder, mens 2,2 mikrosekunder ville passere for muoner. Så du har 50 muoner igjen etter 2,54 mikrosekunder.
Hva har tvillingene å gjøre med det?
Salgsfremmende video:
Kanskje du leser og tenker: hva har tvillinger og paradokser å gjøre med det? Du vet, dette er et veldig godt og betimelig spørsmål.
Se for deg at du har en tvillingbror. Og selv i ungdommen fikk du vite at han var en skurk og planla å overta verden. For å bli kvitt planeten fra hans uhyrlige planer, pumper du ham sovepiller, legger han i en rakett og sender ham 90% av lysets hastighet vekk fra Jorden.
På grunn av tidsutvidelseseffekten på tvillingen din går tiden dessverre betydelig saktere. På ni år går det bare fire år for ham. Hvis han etter ni av årene klarer å snu skipet og returnere i samme fart, blir du 18 år, og han - bare åtte!
Vanligvis er dette slutten av diskusjonene om paradokset, som først ble foreslått i 1911 av Paul Langevin som et tankeeksperiment, og det er her det hele ender. Ved nærmere undersøkelse av "tvillingparadokset" oppstår imidlertid et interessant spørsmål.
Paul Langevin.
Med tanke på din onde tvilling beveget Jorden og du deg med 90% av lysets hastighet. Etter ni år for ham skulle det bare gå fire år for deg. Med andre ord, hvis tvillingen din tror at åtte år har gått fra avreise for å komme tilbake for ham, burde det bare ha gått tre og et halvt år for deg!
Så, når din skurkne tvilling kommer tilbake, hvilken av dere blir eldre? Dette er nettopp paradokset.
Det kan se ut som om dette spørsmålet er en dom for den spesielle relativitetsteorien. Noen i dag bruker hele nettsteder til å "avsløre" SRT. Imidlertid kan vi vitenskapelig bevise at en av tvillingene faktisk blir eldre.
Twin Paradox er et av problemene som har en enkel elegant løsning (eller, kan man si, et svar). Som du allerede har forstått, innebærer denne oppgaven relativistisk tidsutvidelse i henhold til teorien om spesiell relativitet.
Beslutning
Når du nærmer deg løsningen på paradokset, kan du først forestille deg at du og tvillingen din har en klokke i armene, og kjæresten din kan følge med på tiden på din og hans klokke. Du kan uavhengig følge med på tiden på klokken, og tvillingen din på ham: alle er der han er. Men dette er en uvanlig klokke: den tikker bare en gang i året - på dagen for jubileet for jordens frelse fra din onde kopi. På denne dagen kan du også utveksle meldinger i form av en elektromagnetisk puls (du er tross alt en familie). Og her er det verdt å merke seg at lyset fra teleskopet og det elektromagnetiske signalet som du sender, beveger seg med samme hastighet.
Hvis vi tegner et tidsrom-diagram for deg og tvillingen din, får vi dette:
Twin Paradox Diagram / Science ABC / Naked Science.
På bildet til venstre er du med din egen referanseramme. Til høyre ser vi to referanserammer som tilsvarer brorens avgang og retur.
Vi vil utføre beregninger som tilsvarer din referanseramme. La oss si at tvillingen din er 2,67 lysår i en retning. Nå som vi vet avstanden og hastigheten den beveger seg med, kan vi beregne tiden det tok å reise: litt over to og et halvt år. Fra ditt synspunkt tok tvillingens reise omtrent seks år.
Så viser det seg at den onde tvillingbroren vil vende tilbake til Jorden for å ødelegge i løpet av seks av årene, selv om det vil være litt over to og et halvt år for ham. Følgelig, jo mer hastigheten på objekter nærmer seg lysets hastighet, desto mer bremser deres "opplevelse" i forhold til andre objekter som ikke beveger seg i hastigheter relativt nær lysets hastighet, det være seg en mann eller en muon.
Vladimir Guillen
