双子のパラドックス：時空を旅する

要約

この記事では、特殊相対性理論における双子のパラドックスの概念を探求します。同一の双子の宇宙飛行士、ステラとテラは、ステラが光速の86.6％で移動し、10光年先の星を訪れる実験を開始します。その間、テラは地球にとどまります。再会したときに何が起こるのか、両方が疑問に思っています。そして、彼らの観察により、時空の理解が深まります。

実験

ステラとテラは20歳の誕生日に、ステラが宇宙船に乗り、光速の86.6％で移動し、10光年先の星を訪れる実験に参加します。特殊相対性理論によれば、物体が空間を移動する速度が速いほど、静止している観測者に比べて時間が遅くなります。つまり、宇宙船内では時間が2倍遅くなり、時計、電気機器、ステラの生物学的活動、つまり老化の速度や時間の知覚も遅くなります。

時間の膨張と長さの収縮

地球で再会したとき、テラはステラよりも年をとっていると結論付けますが、ステラは、彼女の宇宙船が静止していると言って、宇宙船以外の宇宙全体、つまりテラを含むものが彼女の周りを動いていると考えることも同じくらい正当であると主張します。彼らの理論をテストするために、双子のそれぞれが、1年が経過するたびに相手に光を送ることに同意します。

テラの視点から見ると、彼女の経路は単純に垂直線であり、距離はゼロで、線の各刻みは彼女が知覚する1年と同等です。ステラの経路は、同じ起点から出発して、テラから10光年先で時間が11.5年分進み、そして再び距離がゼロで時間が23年分進んで、再合流します。ステラがテラの2回目の光のバーストを観測する頃には、すでに帰路についており、バーストが2.5年ごとに到着するのを観測します。

双子のパラドックスの解決

ステラは、長さの収縮を観察し、時間の膨張を経験する宇宙旅行に出ます。その結果、彼女が地球に光信号を送信すると、相対的な動きのためにテラがそれらを受信するまでに異なる時間がかかります。テラは、二人が離れている間のほとんどの時間、ステラの老化が遅くなっているのを観察します。これにより、双子のパラドックスが解決されます。ただし、ステラの慣性観測者としての同等な主張は、テラが常に静止していたために誤っていたことがわかります。