Einstein's twin paradox explained - Amber Stuver

5,517,293 views ・ 2019-09-26

TED-Ed


لطفا برای پخش فیلم روی زیرنویس انگلیسی زیر دوبار کلیک کنید.

Translator: Sarah Saadatirad Reviewer: Masoud Motamedifar
در بیستمین سالگرد تولدشان، دوقلوهای همسان فضانورد داوطلب آزمایشی شدند
00:06
On their 20th birthday, identical twin astronauts volunteer for an experiment.
0
6036
5200
00:11
Terra will remain on Earth, while Stella will board a spaceship.
1
11236
4075
تررا درحالیکه استلا روی زمین خواهد ماند سوار بر سفینه فضایی می‌شود.
00:15
Stella’s ship will travel at 86.6% the speed of light
2
15311
3592
سفینه استلا با ۸۶/۶٪ سرعت نور سفر می‌کند
00:18
to visit a star that is 10 light-years away,
3
18903
2750
برای بازدید از ستاره‌ای که ۱۰ سال نوری از آن فاصله دارد،
00:21
then return to Earth at the same speed.
4
21653
2190
سپس با همان سرعت به زمین برگردد.
00:23
As they prepare to part ways,
5
23843
1930
همزمان با آماده شدن برای جدایی از هم
00:25
the twins wonder what will happen when they’re reunited.
6
25773
2940
دوقلوها مشتاق‌اند بدانند چه خواهد شد وقتی آنها دوباره به هم بپیوندند.
00:28
Since a light year is exactly the distance light can travel in a year,
7
28713
3640
از آنجا که یک سال نوری دقیقاً مسافتی است که نور می‌تواند طی یک سال سفر کند،
00:32
Stella’s journey should take 23 years.
8
32353
2870
سفر استلا باید ۲۳سال طول بکشد.
00:35
But from having studied special relativity,
9
35223
2460
اما نظر به مطالعه نسبیت خاص،
00:37
the twins know it’s not that simple.
10
37683
2880
دوقلوها می‌دانند به این سادگی‌ها نیست.
00:40
First of all, the faster an object moves through space,
11
40563
3250
نخست، هر چه شی در فضا سریعترحرکت کند،
00:43
the slower it moves through time compared to an unmoving observer.
12
43813
4780
در مقایسه با یک ناظر بی‌حرکت کندتر در طول زمان حرکت می‌کند.
00:48
This relationship can be quantified with something called the Lorentz factor,
13
48593
3670
این رابطه را می‌توان بر اساس چیزی به‌ نام فاکتور لورنتز بیان کرد،
00:52
which is defined by this equation.
14
52263
2240
که توسط این معادله تعریف شده‌ است.
00:54
And secondly, the length of a moving object as measured by an observer at rest
15
54503
4000
و دوم، اندازه گیری طول حرکت شی توسط ناظر در حالت سکون
00:58
will contract by the same factor.
16
58503
2360
براساس همین فاکتورخواهد بود.
01:00
At 86.6% of the speed of light the Lorentz factor is 2,
17
60863
4390
با ۸۶/۶٪ سرعت نور فاکتور لورنتز ۲ است،
01:05
meaning time will pass twice as slowly aboard the spaceship.
18
65253
3700
یعنی زمان دو برابر کندتر از روی سفینه فضایی می‌گذرد.
01:08
Of course, Stella won’t notice time slowing down.
19
68953
3454
البته، استلا متوجه کند شدن زمان نمی‌شود.
01:12
That’s because all time-based processes in the ship will slow down as well–
20
72407
4000
این به این دلیل است که تمام کارهای مبتنی بر زمان در سفینه نیز کند خواهد شد -
01:16
clocks and electrical devices;
21
76407
1870
ساعت و وسایل برقی؛
01:18
Stella’s biological activities including her rate of aging
22
78277
3420
فعالیت‌های بیولوژیکی استلا از جمله سرعت پیرشدن او
01:21
and her perception of time itself.
23
81697
2650
و درک او از زمان خودش.
01:24
The only people who could notice time on the moving spaceship
24
84347
3190
تنها افرادی می‌توانند متوجه شوند زمان در سفینه فضایی در حال حرکت
01:27
passing slower for Stella
25
87537
1700
برای استلا کندتر گذر می‌کند
01:29
would be observers in an inertial, or non-accelerating, reference frame–
26
89237
4570
در اینرسی، یا قاب مرجع غیر شتاب دهنده - ناظر خواهند بود-
01:33
like Terra back on Earth.
27
93807
1987
مثل ترا بر روی زمین.
01:35
Thus, Terra concludes that when they meet back on Earth,
28
95794
3280
بنابراین، ترا نتیجه می‌گیرد وقتی آنها در برگشت به زمین همدیگر را ملاقات کنند،
01:39
she’ll be older than Stella.
29
99074
2160
او بزرگتر از استلا خواهد بود.
01:41
But that’s just one way of looking at things.
30
101234
2500
اما این فقط یک بعد قضیه است.
01:43
Because all movement is relative,
31
103734
1879
از آنجا که تمام حرکات نسبی است،
01:45
Stella argues it would be just as valid to say her spaceship will stand still
32
105613
5040
استلا استدلال می‌کند که این تا وقتی معتبر است که بگویند سفینه فضایی او هنوز ساکن است
01:50
while the rest of the universe, including Terra, moves around her.
33
110653
4479
در حالیکه بقیه جهان، از جمله ترا در اطراف او در حرکت اند.
01:55
And in that case, time will pass twice as slowly for Terra,
34
115132
4080
و در این صورت، زمان دو برابر کندتر برای ترا می‌گذرد،
01:59
making Stella the older twin in the end.
35
119212
2794
در پایان استلا دوقلوی بزرگتر می‌شود.
02:02
They can’t each be older than the other, so which one of them is right?
36
122006
4000
آنها نمی‌توانند از یکدیگر بزرگتر باشند، پس کدام یک از آنها حقیقی هستند؟
02:06
This apparent contradiction is known as the “Twin Paradox.”
37
126006
3950
این تناقص آشکار معروف به 'پارادوکس دوقلوها' است.
02:09
But it’s not really a paradox–
38
129956
1660
اما واقعاً یک پارادوکس نیست-
02:11
just an example of how special relativity can be easily misunderstood.
39
131616
4990
فقط مثالی از نسبیت خاص که می‌تواند به راحتی باعث سوء تفاهم شود.
02:16
To test their theories in real-time,
40
136606
2310
برای آزمایش تئوری‌های آنها در زمان واقعی،
02:18
each of the twins agrees to send a burst of light to the other
41
138916
3390
هر یک از دوقلوها موافق ارسال پشت سر هم شلیک نور به دیگری هستند
02:22
every time a year has passed for them.
42
142306
2420
در هرسالی که برای آنها می‌گذرد.
02:24
Unlike other objects, the speed of light is always constant
43
144726
3330
بر خلاف سایر اشیا، سرعت نور همیشه ثابت است
02:28
regardless of an observer’s reference frame.
44
148056
2680
صرف نظر از قاب مرجع ناظر.
02:30
A light burst sent from Earth will be measured at the same speed
45
150736
3300
شلیک نور ارسال شده از زمین با همان سرعتی اندازه‌گیری می‌شود
02:34
as a light burst sent from the spaceship,
46
154036
2200
که شلیک نور ارسال شده ازسفینه فضایی،
02:36
regardless of whether it’s on its outbound or return trip.
47
156236
3710
صرف‌نظر از اینکه در سفر رفت باشد یا برگشت.
02:39
So when one twin observes a burst of light,
48
159946
2500
بنابراین وقتی یکی از دوقلوها شلیک نور را مشاهده میکند،
02:42
they’re measuring how long it took the other twin to experience a year passing,
49
162446
4270
آنها میزان به طول انجامیدن یک‌ سال گذشته دوقلوی دیگر را اندازه گیری می‌کنند،
02:46
plus how long it took for light to travel between them.
50
166716
3035
به علاوه مدت به طول انجامیدن سفر نور بین آنها را.
02:49
We can track what’s happening on a graph.
51
169751
2610
می توانیم رخدادها را در یک نمودار بررسی کنیم.
02:52
The X axis marks distance from Earth, and the Y axis tracks the passage of time.
52
172361
5340
محور X فاصله از زمین را نشان می‌دهد، و محور Y گذر زمان را دنبال می‌کند.
02:57
From Terra’s perspective, her path will simply be a vertical line,
53
177701
4079
از دیدگاه ترا، مسیر او خطی عمود خواهد بود،
03:01
with distance equal to zero
54
181780
1640
مسافت برابر با صفر
03:03
and each tick on the line equivalent to a year as she perceives it.
55
183420
4080
و هر تیک از آن خط معادل یک سال است که او حس می‌کند.
03:07
Stella’s path will stretch from the same origin to a point 11.5 years in time
56
187500
5294
مسیر استلا از همین مبدا کشیده می‌شود تا نقطه ۱۱/۵ سال زمانی.
03:12
and 10 light-years in distance from Terra…
57
192794
2894
و ۱۰ سال نوری فاصله از ترا…
03:15
before converging again at zero distance and 23 years’ time.
58
195688
4360
قبل از بازگشت دوباره در فاصله صفرو زمان ۲۳ سال
03:20
At her first one-year mark,
59
200048
1929
در اولین سال نشان شده،
03:21
Terra will send a pulse of light from Earth towards Stella’s spaceship.
60
201977
4260
ترا پالس نوری را از زمین به سمت سفینه فضایی استلا ارسال می‌کند.
03:26
Since light takes a year to travel one light-year,
61
206237
2837
از آنجا که نور یک سال طول می‌کشد تا یک سال نوری سفر کند،
03:29
its path will be a 45-degree diagonal line.
62
209074
3280
مسیر آن خط مورب ۴۵ درجه خواهد بود.
03:32
And because Stella is traveling away from it,
63
212354
2430
و چون استلا در حال دور شدن از آن است،
03:34
by the time the light catches up to her,
64
214784
1940
تا زمانی که نور به او برسد،
03:36
over 7 total years will have passed for Terra, and over 4 for Stella.
65
216724
4810
در کل بیش از ۷سال برای ترا گذشته، وبیش از ۴ سال برای استلا.
03:41
By the time Stella observes Terra’s second burst,
66
221534
3232
در زمانیکه استلا دومین شلیک نوری ترا را می‌بیند،
03:44
she will already be on her return journey.
67
224766
2700
او در حال سفر بازگشت خود خواهد بود.
03:47
But now, since she’s moving towards the source of the light,
68
227466
3160
اما اکنون، از آنجا که او به سمت منبع نور درحرکت است،
03:50
it will take less time to reach her,
69
230626
2080
رسیدن به او زمان کمتری خواهد داشت،
03:52
and she’ll observe the bursts more frequently.
70
232706
2520
و او بیشتراوقات شلیک‌ها را پشت سر هم مشاهده می‌کند.
03:55
This means that Stella observes Terra aging slowly
71
235226
3040
این بدان معناست که استلا به آرامی پیر شدن ترا را رصد می‌کند
03:58
for the first half of her journey,
72
238266
1620
برای نیمه اول سفر خود،
03:59
but aging rapidly during the return half.
73
239886
2940
اما به سرعت در طی نیمه بازگشت پیر می‌شود.
04:02
Meanwhile for Stella, it seems as though Terra, the destination star,
74
242826
3588
ضمناً برای استلا اینگونه به نظر می‌رسد که ترا، ستاره مقصد است،
04:06
and the whole universe are moving around her.
75
246414
2530
و کل جهان در حال حرکت در اطراف او هستند.
04:08
And because of length contraction,
76
248944
1730
و به دلیل انقباض طول،
04:10
Stella observes the distance between them shrinking by a factor of 2.
77
250674
4430
استلا فاصله بینشان را بر اساس فاکتور ۲ در حال کاهش مشاهده می‌کند.
04:15
This means each leg of the trip will only take about six years
78
255104
4025
این بدان معنی است که هر بخش از سفر تنها ۶ سال به طول خواهد انجامید
04:19
from Stella’s perspective.
79
259129
1640
از دیدگاه استلا.
04:20
When she sends the first signal to Earth, two years will have passed for Terra.
80
260769
4110
وقتی او اولین سیگنال را به زمین می‌فرستد، دو سال برای ترا می‌گذرد.
04:24
Stella will send four more light bursts during her outbound journey,
81
264879
3713
استلا چهار انفجار نور دیگر ارسال خواهد کرد در طی سفر رفت خود،
04:28
each one from farther away.
82
268592
1940
هر کدام دورتر از دیگری.
04:30
By the time Terra observes the first pulse from Stella's inbound journey,
83
270532
4420
تا زمانیکه ترا اولین انفجار را در سفر بازگشت استلا مشاهده می‌کند،
04:34
over 21 years will have passed for her.
84
274952
3066
بیش از ۲۱ سال برای او می‌گذرد.
04:38
For the rest of Stella's return home,
85
278018
2220
برای باقی بازگشت استلا به خانه ،
04:40
Terra receives multiple light bursts each year.
86
280238
3520
ترا چندین نورپشت سر هم در سال دریافت می‌کند.
04:43
Thus, Terra observes Stella aging slowly for about 90% of their 23 years apart,
87
283758
6050
بنابراین، ترا پیرشدن آرام استلا را برای حدود ۹۰٪ از ۲۳سال جدایی،
04:49
and aging rapidly during the last 10%.
88
289808
2969
و پیری پر سرعت او را در طی ۱۰٪ آخر می‌بیند.
04:52
This asymmetry accounts for why the paradox isn’t really a paradox.
89
292777
4090
این عدم تقارن دلیل بر این است که چرا پارادوکس در واقع یک پارادوکس نیست.
04:56
Although each twin witnesses time
90
296867
2088
اگرچه هر دوقلو شاهدی بر زمان هستند
04:58
both speeding up and slowing down for the other,
91
298955
2840
هر دو افزایش سرعت یا کاهش آن برای دیگری،
05:01
Stella sees an even split,
92
301795
2090
استلا دو بخش را یکنواخت می‌بیند
05:03
while Terra sees Stella aging slowly for most of the time they’re apart.
93
303885
4200
در حالیکه ترا آرام پیر شدن استلا را در بیشتر اوقات جداییشان می‌بیند.
05:08
This is consistent with each twin’s measurement of the space voyage,
94
308085
3757
این با اندازه‌گیری سفر فضایی هر دوقلو استوار است،
05:11
which takes 23 Earth years, but only 11.5 as experienced aboard the ship.
95
311842
5640
که ۲۳ سال زمینی، اما تنها ۱۱/۵ سال حس شده در سفینه طول می‌کشد.
05:17
When the twins are reunited, Terra will be 43 years old, while Stella will be 31.
96
317482
5780
وقتی دوقلوها دوباره به هم می‌رسند، ترا ۴۳ ساله خواهد بود،در حالیکه استلا ۳۱ ساله.
05:23
Where Stella went wrong
97
323262
1122
جاییکه استلا اشتباه کرد
05:24
was her assumption that she and Terra had equal claim to being inertial observers.
98
324384
5070
فرض او مبنی بر اینکه او و ترا دیدی یکسان ازاینرسی دارند.
05:29
To be an inertial observer, one has to maintain a constant speed and direction
99
329454
4794
برای مشاهده گر اینرسی بودن، یکی باید سرعت ثابت در یک جهت را
05:34
relative to the rest of the universe.
100
334248
2446
نسبت به بقیه جهان حفظ کند.
05:36
Terra was at rest the entire time, so her velocity was a constant zero.
101
336694
4450
ترا تمام وقت درحال استراحت بود، سرعت او صفر ثابت بود.
05:41
But when Stella changed her direction for the return journey,
102
341144
2915
اما وقتی استلا جهتش را برای سفر بازگشت تغییر داد،
05:44
she entered a different reference frame from the one she’d started in.
103
344059
3960
او وارد یک قاب مرجع متفاوت شد ازهمان جاییکه شروع کرده‌ بود.
05:48
Terra and Stella now both have a better understanding of how spacetime works.
104
348019
4290
ترا و استلا اکنون ازچگونگی کار زمان در فضا درک بهتری دارند
05:52
And as twins who are eleven years apart in age,
105
352309
2990
و به عنوان دوقلوهایی هستند که یازده سال سنی از هم جدا بودند،
05:55
they’re a perfect example of special relativity.
106
355299
3480
آنها مثالی عالی از نسبیت خاص هستند.
درباره این وب سایت

این سایت ویدیوهای یوتیوب را به شما معرفی می کند که برای یادگیری زبان انگلیسی مفید هستند. دروس انگلیسی را خواهید دید که توسط معلمان درجه یک از سراسر جهان تدریس می شود. روی زیرنویس انگلیسی نمایش داده شده در هر صفحه ویدیو دوبار کلیک کنید تا ویدیو از آنجا پخش شود. زیرنویس‌ها با پخش ویدیو همگام می‌شوند. اگر نظر یا درخواستی دارید، لطفا با استفاده از این فرم تماس با ما تماس بگیرید.

https://forms.gle/WvT1wiN1qDtmnspy7