Spørg Scientariet: Hvordan måler man tvillingeparadokset?

Vores læser Nicolai Zoffmann har spurgt:

Hvordan fungerer tvillingeparadokset, som nævnes i bogen 'Hawkings Univers' side 42-43? Eller rettere: Hvordan kan man måle denne forskel, eftersom tiden netop ikke er absolut?

Christian Bierlich, MSc, ph.d. fellow på Lund Universitet, Theoretical High Energy Physics, og blogger på ing.dk, svarer:

Tvillingeparadokset er – på trods af navnet – ikke rigtig et paradoks, forstået på den måde, at det er fuldt forstået.

Læs også: Verdens mest berømte ligning

Ifølge Einsteins specielle relativitetsteori er den hastighed, man ser et ur gå med, afhængig af ens hastighed i forhold til uret. Jeg har tidligere skrevet en blog, der beskriver netop dette, og hvorfor det ikke er et paradoks. Hvis du vil blive klogere på baggrunden, kan du læse den her.

Groft sagt består det såkaldte paradoks i, at hvis vi har to mennesker, hvor tiden ikke går så hurtigt for den af de to, der bevæger sig, vil denne være yngst, når de mødes igen som gamle, selv om de er født på samme tid.

Da disse effekter er meget små, hvis man bevæger sig med hastigheder meget mindre end lysets, er det ikke noget, vi bemærker i vores dagligdag.

Læs også: Hvornår ankommer toget?

Skal man måle det, skal man have fat i noget, der både kan bevæge sig meget hurtigt, og som har en meget kort levetid. Ustabile partikler er perfekte til dette. I de store partikeleksperimenter på Cern producerer man masser af disse, og kan derfor måle 'tvillingeparadokset' ret præcist.

Forestil dig, at vi producerer to ens partikler, der begge er ustabile. I min egen forskning kigger jeg tit på de såkaldte Lambda-Nul-baryoner, der består af tre kvarker, en u-kvark, en d-kvark og en s-kvark, der hurtigt henfalder.

Illustration: Cern

Ved at måle hvor langt den når, før den henfalder, og samtidig kende dens hastighed, kan man udregne dens henfaldstid. Dette kan man for eksempel gøre i såkaldte boblekamre, hvor man ved hjælp af partiklernes kurver kan se, hvor hurtige de er og med en lineal måle, hvor langt de når.

Gør man dette, finder man ud af, at de hurtigste partikler har en længere henfaldstid end de langsomme – dette kan forklares ved, at tiden ikke går lige så stærkt for de hurtige partikler, sammenlignet med dem, der er langsomme eller ligger stille.

Læs også: Fysiker: Universet ville være mere enkelt, hvis antihydrogen faldt opad

Tænker man på, at Lambda-Nul har en henfaldstid på 2,63*10^-10 sekunder (0,263 nanosekunder), skal den bevæge sig ret hurtigt, før man faktisk kan måle dens spor.

På figuren til højre er alle sporene faktiske partikler. Hvis man ignorer de to parallelle spor, kan man se en partikel kaldet en kaon-meson komme ind fra bunden og derefter henfalde til Lambda-Nul og nogle andre ting.

Lambda-Nul kan ikke ses direkte, da man kun kan se partikler, der har elektrisk ladning på disse billeder. Den bevæger sig mellem punktet, hvor den første partikel deles, og så den anden deling lidt ovenfor. Her henfalder Lambda-Nul igen til en proton og en pi-minus. Dermed kan man måle præcist, hvor langt den har bevæget sig.

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Der er lavet en del forsøg med præcise ure (atom ure) både ved at lade et ur forblive på jorden mens det andet placeres i et fly med høj hastighed samt med ure i lav og høj højde (og dermed forskellig hastighed p.g.a. Jordens rotation) hvor man efterfølgende kan se at forskellen på de to ures visning er konsistent med relativitetsteoriens forudsigelser. En række af disse forsøg er beskrevet på wikipedia - se https://en.m.wikipedia.org/wiki/Hafele–Keating_experiment

Og hermed overlades scenen til de mange benægtere af relativitetsteorien :-)

  • 1
  • 1

Og hermed overlades scenen til de mange benægtere af relativitetsteorien :-)

Hvis det er mig, du henviser til, har jeg aldrig benægtet den relativistiske masseforøgelse, som netop fremkommer, hvis man som jeg antager, at alle partikler er masseløse bortset fra bindingsenergien, men opnår en tilsyneladende masse ved at interagere med en masseholdig æter.

Det er imidlertid også bevist i Pound-Rebka eksperimentet, hvis det vel at mærke fortolkes rigtigt dvs. ingen blåforskydning (se næste afsnit), at resonansfrekvensen i atomkerner nedsættes i et gravitationsfelt. Det betyder, at udsættes et atomur for en relativistisk masseforøgelse, går det for langsomt, ligesom det også af den årsag går langsommere på jorden end ude i verdensrummet.

Vi kan meget let etablere to ure, der går helt ens på jorden og i f.eks. en geostationær satellit ved at bruge en fælles reference som f.eks. en teoretisk sigtelinje mod solen som døgnreference, og vi kan så begge steder definere 1 sekund ud fra det. Hvis vi så ud fra den reference udsender et radiosignal med en konstant frekvens, men med en døgnmarkør efter et konstant antal svingninger, kan man let indse, at der ikke kan ske nogen blåforskydning af satellitsignalet, som det bl.a. prædikes på Aarhus Universitet og i den gængse fejlfortolkning af Pound-Rebka eksperimentet, for så skal vi til sidst modtage døgnmarkøren før, den er udsendt.

Så ja, vi kan konstatere, at et atomur går for langsomt under bevægelse; men årsagen kan lige så godt ligge i den relativistiske masseforøgelse som i en ændring af tiden.

Det samme gælder henfaldet af partikler. Man kan sagtens forestille sig, at en relativistisk masseforøgelse også forlænger henfaldstiden. Det er absolut ikke bevist, at det er tiden, der ændres.

  • 1
  • 7

...vil jeg postulere, at tid ikke er en fysisk størrelse. Men at tid er en funktion af masse og energi.

Hvis man kunne iagttage altet udefra, så findes kun masse og energi.

Begrebet tid er skabt af filosofer.

Og tak for det!

  • 2
  • 3

PS:

Og masse og energi er jo naturligvis to sider af samme sag.

Kunne vi finde denne sag, så ville vi vide alt...

Men stadig vil jeg mene, at tid er et begreb, og altså ikke en fysisk størrelse...

Læg mærke til hvorledes Einstein hhv Bohr tillægger tid en fysisk egenskab.

  • 2
  • 2

PPS:

Siger Bohr ikke netop (mellem linjerne, ganske vidst), at tid er abstrakt. Altså et begreb, skabt af en iagttager?

  • 1
  • 2

Re: Og igen...

Hvis man kunne iagttage altet udefra, så findes kun masse og energi.  

Nå - har du været derude? Nej det har du nok ikke for man kan ikke betragte altet udefra. Hvis man kunne var det jo ikke altet.

Betyder det så at der findes andet end masse og energi. Eller at masse og energi ikke findes?

Hvad med bevægelse? Det tomme rum? Eller æter (Spørg Carsten). Har æteren masse? Energi? Hvis ikke, hvad har den så?

Vi er vist her ovre i "superstrengsspørgsmål". Altså, spørgsmål som ingen nogensinde har eller vil få et svar på. Om den fundementale suppe er superstrenge med knuder på, eller æterklumper i dej, kan aldrig bevises. Men bestemt værd at interessere sig for - ligesom kunst og filosofi.

  • 0
  • 0

Som det nævnes ovenfor er der ikke noget paradoksalt i at tiden går forskelligt for to tvillinger der bevæger sig med forskellig hastighed, det er fuldt forklarligt ud fra relativitetsteorien.

Ordet 'paradoks' går derimod på at man har haft svært ved at forklare hvorfor det ham i raketten der ældes langsomst. Normalt er det hastigheder der indgår i relativitetsberegninger, og man kunne ligeså godt kunne sige at det var ham på jorden der bevæger sig væk fra raketten som omvendt (to to personers henføringsystemer er ligeværdige ved konstant hastighed). Paradokset blev løst ved at man indså at det var accelerationen der afgjorde det. Se f.eks. https://da.wikipedia.org/wiki/Tvillingepar....

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten