Die Natur ist voller erstaunlicher Dinge und Paradoxien. Und einer von ihnen, der mit Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit verbunden ist, wird als "Paradoxon der Zwillinge" bezeichnet.
Sie kennen wahrscheinlich das Phänomen der Halbwertszeit: Viele subatomare Teilchen sind instabil und zerfallen nach kurzer Zeit (verwandeln sich in etwas anderes). Die Halbwertszeit eines Partikels ist die Zeit, die es "warten" muss, um eine 50% ige Zerfallschance zu erreichen.
Beispielsweise beträgt die Halbwertszeit von Myonen 2,2 Mikrosekunden. Wenn Sie 100 Myonen hätten, wären in 2,2 Mikrosekunden nur noch 50 Myonen übrig, oder? In der Tat nicht unbedingt.
2,2 Mikrosekunden sind die verstrichene Zeit für ein Myon. Wenn Sie eine Handvoll von 100 stationären Myonen haben, sind es nach 2,2 Mikrosekunden ungefähr 50. Wenn Sie jedoch einen Freund haben, der mit 50% der Lichtgeschwindigkeit in einer Rakete fliegt, dauert es 8 Sekunden, wenn 10 Sekunden vergehen 66 Sekunden.
Es stellt sich heraus, dass dies auch für Myonen gilt. Wenn Ihre 100 Myonen also nicht statisch sind, sondern sich in einem Teilchenbeschleuniger mit 50% Lichtgeschwindigkeit bewegen, sind es nach 2,2 Mikrosekunden von Ihrer Seite ungefähr 1,9 Mikrosekunden für Myonen. Dies bedeutet, dass Sie zu diesem Zeitpunkt ungefähr 55 Myonen haben werden.
In Ihrem Referenzrahmen würden 2,54 Mikrosekunden vergehen, während 2,2 Mikrosekunden für Myonen vergehen würden. Sie haben also nach 2,54 Mikrosekunden noch 50 Myonen übrig.
Was haben die Zwillinge damit zu tun?
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Vielleicht lesen und denken Sie: Was haben Zwillinge und Paradoxien damit zu tun? Sie wissen, das ist eine sehr gute und aktuelle Frage.
Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Zwillingsbruder. Und schon in deiner Jugend hast du gelernt, dass er ein Bösewicht ist und geplant hat, die Welt zu übernehmen. Um den Planeten von seinen monströsen Plänen zu befreien, pumpst du ihm Schlaftabletten, steckst ihn in eine Rakete und schickst ihm 90% der Lichtgeschwindigkeit von der Erde weg.
Leider vergeht die Zeit aufgrund des Zeitdilatationseffekts auf Ihren Zwilling erheblich langsamer. In Ihren neun Jahren vergehen nur vier Jahre für ihn. Wenn es ihm nach neun Ihrer Jahre gelingt, das Schiff umzudrehen und mit der gleichen Geschwindigkeit zurückzukehren, werden Sie 18 Jahre alt, und er - nur acht!
Normalerweise ist dies das Ende der Diskussionen über das Paradoxon, das 1911 erstmals von Paul Langevin als Gedankenexperiment vorgeschlagen wurde, und hier endet alles. Bei näherer Betrachtung des "Zwillingsparadoxons" stellt sich jedoch eine interessante Frage.
Paul Langevin.
Aus der Sicht Ihres bösen Zwillings bewegten sich die Erde und Sie mit 90% der Lichtgeschwindigkeit. Nach neun Jahren für ihn sollten also nur vier Jahre für Sie vergehen. Mit anderen Worten, wenn Ihr Zwilling glaubt, dass acht Jahre von der Abreise bis zur Rückkehr für ihn vergangen sind, dann sollten es nur dreieinhalb Jahre für Sie gewesen sein!
Also, wenn Ihr bösartiger Zwilling zurückkommt, welcher von Ihnen wird der ältere sein? Dies ist genau das Paradoxon.
Es scheint, dass diese Frage ein Urteil für die Spezielle Relativitätstheorie ist. Einige widmen heute ganze Websites der "Enthüllung" der SRT. Wir können jedoch wissenschaftlich nachweisen, dass einer der Zwillinge tatsächlich älter wird.
Das Zwillingsparadoxon ist eines dieser Probleme, für das es eine einzige elegante Lösung gibt (oder man könnte sagen eine Antwort). Wie Sie vielleicht bereits herausgefunden haben, beinhaltet diese Aufgabe eine relativistische Zeitdilatation gemäß der Theorie der speziellen Relativitätstheorie.
Entscheidung
Wenn Sie sich der Lösung des Paradoxons nähern, stellen Sie sich zunächst vor, dass Sie und Ihr Zwilling eine Uhr in Ihren Armen haben und dass Ihre Freundin die Zeit auf Ihrer und seiner verfolgen kann. Sie können unabhängig die Zeit auf Ihrer Uhr und Ihren Zwilling auf seiner verfolgen: Jeder ist dort, wo er ist. Aber dies ist eine ungewöhnliche Uhr: Sie tickt nur einmal im Jahr - am Tag des Jahrestages der Errettung der Erde von Ihrer bösen Kopie. An diesem Tag können Sie auch Nachrichten in Form eines elektromagnetischen Impulses austauschen (Sie sind schließlich eine Familie). Und hier ist zu beachten, dass sich das Licht des Teleskops und das von Ihnen gesendete elektromagnetische Signal mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.
Wenn wir nun ein Zeit-Raum-Diagramm für Sie und Ihren Zwilling zeichnen, erhalten wir Folgendes:
Twin Paradox Diagramm / Wissenschaft ABC / Naked Science.
Im Bild links haben Sie Ihren eigenen Referenzrahmen. Rechts sehen wir zwei Referenzrahmen, die der Abreise und Rückkehr Ihres Bruders entsprechen.
Wir führen Berechnungen durch, die Ihrem Referenzrahmen entsprechen. Angenommen, Ihr Zwilling ist 2,67 Lichtjahre in eine Richtung. Jetzt, da wir die Entfernung und die Geschwindigkeit kennen, mit der es sich bewegt, können wir die Reisezeit berechnen: etwas mehr als zweieinhalb Jahre. Aus Ihrer Sicht dauerte die Reise des Zwillings ungefähr sechs Jahre.
Es stellt sich also heraus, dass der böse Zwillingsbruder in etwa sechs Ihrer Jahre auf die Erde zurückkehren wird, um Chaos zu verursachen, obwohl es für ihn etwas mehr als zweieinhalb Jahre dauern wird. Je näher sich die Geschwindigkeit von Objekten der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto langsamer wird ihre "Erfahrung" im Vergleich zu anderen Objekten, die sich nicht mit einer Geschwindigkeit bewegen, die relativ nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt, sei es ein Mann oder ein Myon.
Vladimir Guillen
