Naturen är full av fantastiska saker och paradoxer. Och en av dem, förknippad med rörelse med ljusets hastighet, kallas "tvillingarnas paradox".
Du kanske förmodligen känner till fenomenet halveringstid: många subatomära partiklar är instabila och efter kort tid förfall (förvandlas till något annat). En partikels halveringstid är den tid den behöver "vänta" för att nå 50% risk för förfall.
Till exempel är halveringstiden för muoner 2,2 mikrosekunder. Om du hade 100 muon, skulle det bara finnas 50 muon kvar på 2,2 mikrosekunder, eller hur? I själva verket inte nödvändigtvis.
2,2 mikrosekunder är förfluten tid för en muon. Om du har en handfull 100 stationära muoner, kommer det att vara cirka 50 efter 2,2 mikrosekunder. Men om du har en vän som flyger i en raket med 50% av ljusets hastighet, då kommer det att ta 10 sekunder för dig, 66 sekunder.
Det visar sig att detta även gäller muoner. Så om dina 100 muons inte är statiska utan rör sig i en partikelaccelerator med 50% ljusets hastighet, kommer det att vara cirka 1,9 mikrosekunder för muons efter 2,2 mikrosekunder från din sida. Detta innebär att du vid denna tid kommer att ha cirka 55 muons.
I din referensram passerade 2,54 mikrosekunder, medan 2,2 mikrosekunder passerar för muoner. Så du har 50 muon kvar efter 2,54 mikrosekunder.
Vad har tvillingarna att göra med det?
Kampanjvideo:
Kanske läser du och tänker: vad har tvillingar och paradoxer att göra med det? Du vet, det här är en mycket bra och snabb fråga.
Föreställ dig att du har en tvillingbror. Och till och med i din ungdom lärde du dig att han var en skurk och planerade att ta över världen. För att befria planeten från hans monströsa planer, pumpar du honom sömntabletter, sätter honom i en raket och skickar honom 90% av ljusets hastighet bort från jorden.
Tyvärr, på grund av tidsutvidgningseffekten på din tvilling, går tiden betydligt långsammare. På dina nio år går det bara fyra år för honom. Om han efter nio av dina år lyckas vända fartyget och återvända med samma hastighet blir du 18 år, och han - bara åtta!
Vanligtvis är detta slutet på diskussionerna om paradoxen, som först föreslogs 1911 av Paul Langevin som ett tankeexperiment, och det är här som allt slutar. Men vid en närmare undersökning av "tvillingparadoxen" uppstår en intressant fråga.
Paul Langevin.
Ur din onda tvillings synvinkel rörde jorden och du 90% av ljusets hastighet. Således, efter nio år för honom, skulle det bara gå fyra år för dig. Med andra ord, om din tvilling tror att åtta år har gått från avresan för att återvända för honom, borde det ha varit bara tre och ett halvt år för dig!
Så, när din skurkiga tvilling kommer tillbaka, vilken av er blir den äldre? Detta är just paradoxen.
Det kan tyckas att denna fråga är en dom för den speciella relativitetsteorin. Vissa ägnar idag hela webbplatser för att "avslöja" SRT. Vi kan dock vetenskapligt bevisa att en av tvillingarna faktiskt kommer att åldras mer.
Twin Paradox är ett av dessa problem som har en enda elegant lösning (eller, kan man säga, ett svar). Som du kanske redan har förstått innebär denna uppgift relativistisk tidsutvidgning enligt teorin om special relativitet.
Beslut
När du närmar dig lösningen på paradoxen, föreställ dig först att du och din tvilling har en klocka i dina armar, och din flickvän kan hålla reda på tiden på din och hans klocka. Du kan självständigt hålla reda på tiden på din klocka och din tvilling på hans: alla är där han är. Men detta är en ovanlig klocka: den fästs bara en gång om året - på dagen för jubileet för jordens frälsning från din onda kopia. Den här dagen kan du också utbyta meddelanden i form av en elektromagnetisk puls (du är ju en familj). Och här är det värt att notera att ljuset från teleskopet och den elektromagnetiska signalen som du skickar rör sig med samma hastighet.
Nu, om vi ritar ett tids-rymddiagram för dig och din tvilling, får vi detta:
Twin Paradox Diagram / Science ABC / Naked Science.
På bilden till vänster är du med din egen referensram. Till höger ser vi två referensramar som motsvarar din brors avgång och återkomst.
Vi kommer att göra beräkningar som motsvarar din referensram. Låt oss säga att din tvilling är 2,67 ljusår i en riktning. Nu när vi vet avståndet och hastigheten med vilken det rör sig kan vi beräkna tiden det tog att resa: drygt två och ett halvt år. Ur din synvinkel tog tvillingens resa ungefär sex år.
Så, det visar sig att den onda tvillingbror kommer att återvända till jorden för att göra kaos i ungefär sex av dina år, även om det kommer att vara lite över två och ett halvt år för honom. Följaktligen, ju mer objektets hastighet närmar sig ljusets hastighet, desto mer saktar deras "upplevelse" i jämförelse med andra objekt som inte rör sig i hastigheter relativt nära ljusets hastighet, vare sig det är en man eller en muon.
Vladimir Guillen
