Einstein's twin paradox explained - Amber Stuver

Translator: Sarah Saadatirad Reviewer: Masoud Motamedifar

در بیستمین سالگرد تولدشان، دوقلوهای همسان فضانورد داوطلب آزمایشی شدند

On their 20th birthday, identical twin astronauts volunteer for an experiment.

Terra will remain on Earth, while Stella will board a spaceship.

تررا درحالیکه استلا روی زمین خواهد ماند سوار بر سفینه فضایی می‌شود.

Stella’s ship will travel at 86.6% the speed of light

سفینه استلا با ۸۶/۶٪ سرعت نور سفر می‌کند

to visit a star that is 10 light-years away,

برای بازدید از ستاره‌ای که ۱۰ سال نوری از آن فاصله دارد،

then return to Earth at the same speed.

سپس با همان سرعت به زمین برگردد.

As they prepare to part ways,

همزمان با آماده شدن برای جدایی از هم

the twins wonder what will happen when they’re reunited.

دوقلوها مشتاق‌اند بدانند چه خواهد شد وقتی آنها دوباره به هم بپیوندند.

Since a light year is exactly the distance light can travel in a year,

از آنجا که یک سال نوری دقیقاً مسافتی است که نور می‌تواند طی یک سال سفر کند،

Stella’s journey should take 23 years.

سفر استلا باید ۲۳سال طول بکشد.

But from having studied special relativity,

اما نظر به مطالعه نسبیت خاص،

the twins know it’s not that simple.

دوقلوها می‌دانند به این سادگی‌ها نیست.

First of all, the faster an object moves through space,

نخست، هر چه شی در فضا سریعترحرکت کند،

the slower it moves through time compared to an unmoving observer.

در مقایسه با یک ناظر بی‌حرکت کندتر در طول زمان حرکت می‌کند.

This relationship can be quantified with something called the Lorentz factor,

این رابطه را می‌توان بر اساس چیزی به‌ نام فاکتور لورنتز بیان کرد،

which is defined by this equation.

که توسط این معادله تعریف شده‌ است.

And secondly, the length of a moving object as measured by an observer at rest

و دوم، اندازه گیری طول حرکت شی توسط ناظر در حالت سکون

will contract by the same factor.

براساس همین فاکتورخواهد بود.

At 86.6% of the speed of light the Lorentz factor is 2,

با ۸۶/۶٪ سرعت نور فاکتور لورنتز ۲ است،

meaning time will pass twice as slowly aboard the spaceship.

یعنی زمان دو برابر کندتر از روی سفینه فضایی می‌گذرد.

Of course, Stella won’t notice time slowing down.

البته، استلا متوجه کند شدن زمان نمی‌شود.

That’s because all time-based processes in the ship will slow down as well–

این به این دلیل است که تمام کارهای مبتنی بر زمان در سفینه نیز کند خواهد شد -

clocks and electrical devices;

ساعت و وسایل برقی؛

Stella’s biological activities including her rate of aging

فعالیت‌های بیولوژیکی استلا از جمله سرعت پیرشدن او

and her perception of time itself.

و درک او از زمان خودش.

The only people who could notice time on the moving spaceship

تنها افرادی می‌توانند متوجه شوند زمان در سفینه فضایی در حال حرکت

passing slower for Stella

برای استلا کندتر گذر می‌کند

would be observers in an inertial, or non-accelerating, reference frame–

در اینرسی، یا قاب مرجع غیر شتاب دهنده - ناظر خواهند بود-

like Terra back on Earth.

مثل ترا بر روی زمین.

Thus, Terra concludes that when they meet back on Earth,

بنابراین، ترا نتیجه می‌گیرد وقتی آنها در برگشت به زمین همدیگر را ملاقات کنند،

she’ll be older than Stella.

او بزرگتر از استلا خواهد بود.

But that’s just one way of looking at things.

اما این فقط یک بعد قضیه است.

Because all movement is relative,

از آنجا که تمام حرکات نسبی است،

Stella argues it would be just as valid to say her spaceship will stand still

استلا استدلال می‌کند که این تا وقتی معتبر است که بگویند سفینه فضایی او هنوز ساکن است

while the rest of the universe, including Terra, moves around her.

در حالیکه بقیه جهان، از جمله ترا در اطراف او در حرکت اند.

And in that case, time will pass twice as slowly for Terra,

و در این صورت، زمان دو برابر کندتر برای ترا می‌گذرد،

making Stella the older twin in the end.

در پایان استلا دوقلوی بزرگتر می‌شود.

They can’t each be older than the other, so which one of them is right?

آنها نمی‌توانند از یکدیگر بزرگتر باشند، پس کدام یک از آنها حقیقی هستند؟

This apparent contradiction is known as the “Twin Paradox.”

این تناقص آشکار معروف به 'پارادوکس دوقلوها' است.

But it’s not really a paradox–

اما واقعاً یک پارادوکس نیست-

just an example of how special relativity can be easily misunderstood.

فقط مثالی از نسبیت خاص که می‌تواند به راحتی باعث سوء تفاهم شود.

To test their theories in real-time,

برای آزمایش تئوری‌های آنها در زمان واقعی،

each of the twins agrees to send a burst of light to the other

هر یک از دوقلوها موافق ارسال پشت سر هم شلیک نور به دیگری هستند

every time a year has passed for them.

در هرسالی که برای آنها می‌گذرد.

Unlike other objects, the speed of light is always constant

بر خلاف سایر اشیا، سرعت نور همیشه ثابت است

regardless of an observer’s reference frame.

صرف نظر از قاب مرجع ناظر.

A light burst sent from Earth will be measured at the same speed

شلیک نور ارسال شده از زمین با همان سرعتی اندازه‌گیری می‌شود

as a light burst sent from the spaceship,

که شلیک نور ارسال شده ازسفینه فضایی،

regardless of whether it’s on its outbound or return trip.

صرف‌نظر از اینکه در سفر رفت باشد یا برگشت.

So when one twin observes a burst of light,

بنابراین وقتی یکی از دوقلوها شلیک نور را مشاهده میکند،

they’re measuring how long it took the other twin to experience a year passing,

آنها میزان به طول انجامیدن یک‌ سال گذشته دوقلوی دیگر را اندازه گیری می‌کنند،

plus how long it took for light to travel between them.

به علاوه مدت به طول انجامیدن سفر نور بین آنها را.

We can track what’s happening on a graph.

می توانیم رخدادها را در یک نمودار بررسی کنیم.

The X axis marks distance from Earth, and the Y axis tracks the passage of time.

محور X فاصله از زمین را نشان می‌دهد، و محور Y گذر زمان را دنبال می‌کند.

From Terra’s perspective, her path will simply be a vertical line,

از دیدگاه ترا، مسیر او خطی عمود خواهد بود،

with distance equal to zero

مسافت برابر با صفر

and each tick on the line equivalent to a year as she perceives it.

و هر تیک از آن خط معادل یک سال است که او حس می‌کند.

Stella’s path will stretch from the same origin to a point 11.5 years in time

مسیر استلا از همین مبدا کشیده می‌شود تا نقطه ۱۱/۵ سال زمانی.

and 10 light-years in distance from Terra…

و ۱۰ سال نوری فاصله از ترا…

before converging again at zero distance and 23 years’ time.

قبل از بازگشت دوباره در فاصله صفرو زمان ۲۳ سال

At her first one-year mark,

در اولین سال نشان شده،

Terra will send a pulse of light from Earth towards Stella’s spaceship.

ترا پالس نوری را از زمین به سمت سفینه فضایی استلا ارسال می‌کند.

Since light takes a year to travel one light-year,

از آنجا که نور یک سال طول می‌کشد تا یک سال نوری سفر کند،

its path will be a 45-degree diagonal line.

مسیر آن خط مورب ۴۵ درجه خواهد بود.

And because Stella is traveling away from it,

و چون استلا در حال دور شدن از آن است،

by the time the light catches up to her,

تا زمانی که نور به او برسد،

over 7 total years will have passed for Terra, and over 4 for Stella.

در کل بیش از ۷سال برای ترا گذشته، وبیش از ۴ سال برای استلا.

By the time Stella observes Terra’s second burst,

در زمانیکه استلا دومین شلیک نوری ترا را می‌بیند،

she will already be on her return journey.

او در حال سفر بازگشت خود خواهد بود.

But now, since she’s moving towards the source of the light,

اما اکنون، از آنجا که او به سمت منبع نور درحرکت است،

it will take less time to reach her,

رسیدن به او زمان کمتری خواهد داشت،

and she’ll observe the bursts more frequently.

و او بیشتراوقات شلیک‌ها را پشت سر هم مشاهده می‌کند.

This means that Stella observes Terra aging slowly

این بدان معناست که استلا به آرامی پیر شدن ترا را رصد می‌کند

for the first half of her journey,

برای نیمه اول سفر خود،

but aging rapidly during the return half.

اما به سرعت در طی نیمه بازگشت پیر می‌شود.

Meanwhile for Stella, it seems as though Terra, the destination star,

ضمناً برای استلا اینگونه به نظر می‌رسد که ترا، ستاره مقصد است،

and the whole universe are moving around her.

و کل جهان در حال حرکت در اطراف او هستند.

And because of length contraction,

و به دلیل انقباض طول،

Stella observes the distance between them shrinking by a factor of 2.

استلا فاصله بینشان را بر اساس فاکتور ۲ در حال کاهش مشاهده می‌کند.

This means each leg of the trip will only take about six years

این بدان معنی است که هر بخش از سفر تنها ۶ سال به طول خواهد انجامید

from Stella’s perspective.

از دیدگاه استلا.

When she sends the first signal to Earth, two years will have passed for Terra.

وقتی او اولین سیگنال را به زمین می‌فرستد، دو سال برای ترا می‌گذرد.

Stella will send four more light bursts during her outbound journey,

استلا چهار انفجار نور دیگر ارسال خواهد کرد در طی سفر رفت خود،

each one from farther away.

هر کدام دورتر از دیگری.

By the time Terra observes the first pulse from Stella's inbound journey,

تا زمانیکه ترا اولین انفجار را در سفر بازگشت استلا مشاهده می‌کند،

over 21 years will have passed for her.

بیش از ۲۱ سال برای او می‌گذرد.

For the rest of Stella's return home,

برای باقی بازگشت استلا به خانه ،

Terra receives multiple light bursts each year.

ترا چندین نورپشت سر هم در سال دریافت می‌کند.

Thus, Terra observes Stella aging slowly for about 90% of their 23 years apart,

بنابراین، ترا پیرشدن آرام استلا را برای حدود ۹۰٪ از ۲۳سال جدایی،

and aging rapidly during the last 10%.

و پیری پر سرعت او را در طی ۱۰٪ آخر می‌بیند.

This asymmetry accounts for why the paradox isn’t really a paradox.

این عدم تقارن دلیل بر این است که چرا پارادوکس در واقع یک پارادوکس نیست.

Although each twin witnesses time

اگرچه هر دوقلو شاهدی بر زمان هستند

both speeding up and slowing down for the other,

هر دو افزایش سرعت یا کاهش آن برای دیگری،

Stella sees an even split,

استلا دو بخش را یکنواخت می‌بیند

while Terra sees Stella aging slowly for most of the time they’re apart.

در حالیکه ترا آرام پیر شدن استلا را در بیشتر اوقات جداییشان می‌بیند.

This is consistent with each twin’s measurement of the space voyage,

این با اندازه‌گیری سفر فضایی هر دوقلو استوار است،

which takes 23 Earth years, but only 11.5 as experienced aboard the ship.

که ۲۳ سال زمینی، اما تنها ۱۱/۵ سال حس شده در سفینه طول می‌کشد.

When the twins are reunited, Terra will be 43 years old, while Stella will be 31.

وقتی دوقلوها دوباره به هم می‌رسند، ترا ۴۳ ساله خواهد بود،در حالیکه استلا ۳۱ ساله.

Where Stella went wrong

جاییکه استلا اشتباه کرد

was her assumption that she and Terra had equal claim to being inertial observers.

فرض او مبنی بر اینکه او و ترا دیدی یکسان ازاینرسی دارند.

To be an inertial observer, one has to maintain a constant speed and direction

برای مشاهده گر اینرسی بودن، یکی باید سرعت ثابت در یک جهت را

relative to the rest of the universe.

نسبت به بقیه جهان حفظ کند.

Terra was at rest the entire time, so her velocity was a constant zero.

ترا تمام وقت درحال استراحت بود، سرعت او صفر ثابت بود.

But when Stella changed her direction for the return journey,

اما وقتی استلا جهتش را برای سفر بازگشت تغییر داد،

she entered a different reference frame from the one she’d started in.

او وارد یک قاب مرجع متفاوت شد ازهمان جاییکه شروع کرده‌ بود.

Terra and Stella now both have a better understanding of how spacetime works.

ترا و استلا اکنون ازچگونگی کار زمان در فضا درک بهتری دارند

And as twins who are eleven years apart in age,

و به عنوان دوقلوهایی هستند که یازده سال سنی از هم جدا بودند،

they’re a perfect example of special relativity.

آنها مثالی عالی از نسبیت خاص هستند.