home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / Star-Trek / relativity_FTL / part2 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  2004-05-15  |  49.3 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!newsfeed.stanford.edu!logbridge.uoregon.edu!news-feed01.roc.ny.frontiernet.net!nntp.frontiernet.net!peer02.cox.net!cox.net!p02!lakeread01.POSTED!not-for-mail
  2. From: Jason W. Hinson <jason@physicsguy.com>
  3. Newsgroups: rec.arts.startrek.tech,rec.answers,news.answers
  4. Subject: Relativity and FTL Travel--PART II  (optional reading)
  5. User-Agent: Newspost/2.1.1 (http://newspost.unixcab.org/)
  6. Followup-To: rec.arts.startrek.tech
  7. Organization: physicsguy.com
  8. Summary: More on Special Relativity
  9. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  10. Lines: 903
  11. Message-ID: <Dw1pc.148087$f_5.48188@lakeread01>
  12. Date: Fri, 14 May 2004 10:51:15 GMT
  13. NNTP-Posting-Host: 68.227.220.12
  14. X-Complaints-To: abuse@cox.net
  15. X-Trace: lakeread01 1084531875 68.227.220.12 (Fri, 14 May 2004 06:51:15 EDT)
  16. NNTP-Posting-Date: Fri, 14 May 2004 06:51:15 EDT
  17. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.arts.startrek.tech:171410 rec.answers:87007 news.answers:271273
  18.  
  19. Archive-name: star-trek/relativity_FTL/part2
  20. Posting-Frequency: bimonthly for r.a.s.tech, monthly for news.answers
  21.  
  22. =============================================================================
  23.                           Relativity and FTL Travel
  24.                                  
  25.                by Jason W. Hinson (hinson@physics.purdue.edu)
  26. -----------------------------------------------------------------------------
  27.                                  
  28.                     Part II: More on Special Relativity
  29.                                  
  30. =============================================================================
  31. Edition: 5.1
  32. Last Modified: April 8, 2003
  33. URL: http://www.physicsguy.com/ftl/
  34. FTP (text version): ftp://ftp.cc.umanitoba.ca/startrek/relativity/
  35.  
  36.  
  37.  
  38.      This is Part II of the "Relativity and FTL Travel" FAQ. It is an
  39. "optional reading" part of the FAQ in that the FTL discussion in Part II
  40. does not assume that the reader has read the information discussed below. If
  41. your only interest in this FAQ is the consideration of FTL travel with
  42. relativity in mind, then you may only want to read Part I: Special
  43. Relativity and Part IV: Faster Than Light Travel--Concepts and Their
  44. "Problems".
  45.      In this part, we look more deeply into some points of special
  46. relativity. By completing our discussion on the space time diagram as well
  47. as explaining some of the paradoxes involved with SR, it should give the
  48. reader a better understanding of the theory.
  49.      For more information about this FAQ (including copyright information
  50. and a table of contents for all parts of the FAQ), see the Introduction to
  51. the FAQ portion which should be distributed with this document.
  52.  
  53.  
  54. Contents of Part II:
  55. Chapter 3: Completing the Space-Time Diagram Discussion
  56.      3.1 Comparing Time for O and O'
  57.      3.2 Comparing Space for O and O'
  58.      3.3 Once Again: The Light Cone
  59. Chapter 4: Paradoxes and Solutions
  60.      4.1 The "Twin Paradox"
  61.           4.1.1 Viewing it with a Space-Time Diagram
  62.           4.1.2 Explaining the "First Part"
  63.           4.1.3 Explaining the "Second Part"
  64.           4.1.4 Some Additional Notes
  65.      4.2 The "Car and Barn Paradox"
  66.           4.2.1 Viewing it with a Space-Time Diagram
  67.           4.2.2 The explanation
  68.  
  69.  
  70.  
  71.  
  72.  
  73. Chapter 3: Completing the Space-Time Diagram Discussion
  74.  
  75.      Here we will complete the discussion of the space-time diagrams which
  76. we began in the previous chapter. We will do this by completely comparing
  77. the coordinates our observers have for a particular event. To make that
  78. comparison we will need to see how the lengths which represent one unit of
  79. space and time in the reference frame of O compare with the lengths
  80. representing the same units in O'. The easiest way for us to do this is to
  81. use information we have already seen--in particular, we use the fact that a
  82. clock moving with respect to an observer seems to be running slowly to that
  83. observer and a pole moving with respect to that observer seems to be shorter
  84. to that observer by a factor of gamma. (Note: this was explained in Chapter
  85. 1. of this FAQ.) Understanding how to use this in the space-time diagram in
  86. order to completely construct the two observers' coordinate systems should
  87. give some solid insight into time dilation and length contraction in special
  88. relativity.
  89.  
  90.  
  91.  
  92. 3.1 Comparing Time for O and O'
  93.  
  94.      So, how do we show time dilation on our space-time diagram. Well, the
  95. key to this can be found by expressing time dilation in the following way:
  96. In the O observer's frame of reference, let the tick t1 of his clock be
  97. simultaneous with the tick t1' of the O' observer's clock. Also, let the
  98. tick t2 of his (the O observer's) clock be simultaneous with the t2 tick of
  99. the O' observer's clock. Then, we would find that
  100.  
  101.   (Eq 3:1)
  102.     t2'- t1'= (t2 - t1)/gamma
  103.  
  104. where gamma (as defined in Section 1.4) would be calculated using the
  105. relative velocity of O and O'. What Equation 3:1 says is that in the O
  106. observer's frame of reference, the difference in the ticks of the O'
  107. observer's clock is smaller than the difference in the O observer's own
  108. ticks by a factor of gamma. Thus, we see that in the frame of O, the O'
  109. observer's clock is running slowly.
  110.      As an example, from here on we will consider the case where the
  111. relative velocity is 0.6 c such that gamma = 1.25. Using an example like
  112. this will make the procedure easier to understand for the reader; however,
  113. remember that we could redo this whole process with any speed (calculating a
  114. new gamma factor, drawing a different speed for the observers, drawing
  115. appropriate lines of simultaneity, etc.).
  116.      Now, what if we let the t1 tick be the "zero" tick. That means that at
  117. the origin, when both of our observers are right next to one another, t1 =
  118. t1' = 0. So, both of the observers agree (because there is no separation
  119. between them in space at the origin) that t1 and t1' are simultaneous, and
  120. happen at t = t'= 0. However, after some time, there will be a tick (t2) on
  121. the O observer's clock. In the frame of reference of O, that tick is
  122. simultaneous with the tick t2' of the O' observer's clock. Since t1 = t1' =
  123. 0, and we are using gamma = 1.25, we know (from Equation 3:1) that
  124.  
  125.   (Eq 3:2)
  126.     t2'- 0 = (t2 - 0)/1.25.
  127.    so
  128.     t2'  = 0.8*t2
  129.  
  130.      So, this says that in the frame of the O observer, the tick t2 of his
  131. clock is simultaneous with the tick 0.8 t2 on the O' observer's clock. If we
  132. draw a line of simultaneity in the O observer's frame of reference such that
  133. it goes through the tick t2 of his clock, then it must also go through the
  134. tick 0.8 t2 of the O' observer's clock. If we let t2 = 1 second, then we get
  135. what is shown in Diagram 3-1. The distance from the origin, o, to the first
  136. mark along t in that diagram is defined to be 1 second for our O observer.
  137. Meanwhile, the distance from o to the "*" symbol along t' in that diagram is
  138. 0.8 second FOR THE O' OBSERVER. So, we begin to see that we can relate
  139. distances in time along the axes of the different observers.
  140.  
  141.                                  Diagram 3-1
  142.  
  143.               t            t'
  144.               ^           /
  145.               |          /
  146.               |         /
  147.               |        /
  148.               |       /
  149.               |      /
  150.         t = 1 + - - * - - - - - - - line of simultaneity
  151.               |    / t' = 0.8        for O at t = 1
  152.               |   /
  153.               |  /
  154.               | /
  155.               |/
  156.      ---------o----------------------> x
  157.               |
  158.               |
  159.         (Note: The line for t' only approximately represents an observer
  160.          moving at 0.6 c.  It probably more closely represents 0.5 c, but
  161.          that's my ASCII for you.  For our example, it _should_
  162.          represent an observer traveling at 0.6 c in the O observer's
  163.          frame of reference.)
  164.  
  165.  
  166.      This puts us on our way to understanding how, for example, different
  167. lengths along t and t' relate to particular times on the clocks of the two
  168. observers. Our next step to understanding this better will be to look at the
  169. situation from the O' observer's frame of reference.
  170.      We have found what tick of the O' observer's clock is simultaneous with
  171. the t = 1 tick of the O observer's clock
  172. _in_the_O_observer's_frame_of_reference_. However, say we want to decide
  173. what t' tick is simultaneous with the O observer's t = 1 tick
  174. _in_the_O'_observer's_frame_of_reference_ (remember, the line of
  175. simultaneity in Diagram 3-1 is only valid for the O observer's frame). To
  176. figure this out, we need to draw a line of simultaneity in the O' observer's
  177. frame of reference which passes through the event "the O observer's clock
  178. ticks 1". When we do this, we want to note where that line passes the t'
  179. axis, because that mark points out the tick on the O' observer's clock which
  180. is simultaneous with O observer's t = 1 tick
  181. _in_the_O'_observer's_frame_of_reference_. I have drawn this line in Diagram
  182. 3-2, but I have also left everything that was in Diagram 3-1.
  183.  
  184.                                  Diagram 3-2
  185.  
  186.                t            t'           line of simultaneity
  187.                ^           /           '  for O' at t' = 1.25
  188.                |          /        '
  189.                |         /     '
  190.                |        /  '
  191.                |       % t' = 1.25
  192.                |   '  /
  193.          t = 1 + - - * - - - - - - line of simultaneity
  194.                |    / t' = 0.8       for O at t = 1
  195.                |   /
  196.                |  /
  197.                | /
  198.                |/
  199.       ---------o----------------------> x
  200.                |
  201.                |
  202.          (Note: The line of simultaneity for O' is a rough approximation)
  203.  
  204.  
  205.      Now, note that I marked the "%" symbol in that diagram (where the line
  206. of simultaneity for O'--which goes through t = 1--crosses the t' axes) as
  207. the event t' = 1.25. But how did I know that? Well, because in the frame of
  208. reference of O', it is the O observer who is moving at 0.6 c, and thus it is
  209. the O observer who's clocks are running slowly by a factor of 1.25. So, in
  210. the frame of O', the event "t = 1 at the O observer's position" must be
  211. simultaneous with the event "t'= 1.25 at the O' observer's position." That
  212. way, in the O' observer's frame, it will be the O observer's clock which is
  213. running slowly by a factor of 1.25. In addition, if the diagram were drawn
  214. carefully I could use the length from the origin to "*" (which I know is 0.8
  215. seconds for the O' observer) to figure out how much time passes between the
  216. origin and the "%" symbol for O'. Either way, I find the same thing.
  217.      In Diagram 3-2, one can begin to see the power of using space-time
  218. diagrams to understand special relativity. Note that from one glance at that
  219. diagram not only can we see that in the O observer's frame of reference the
  220. O' observer's clock is running slow by a factor of 1.25 (i.e. the event "t =
  221. 1" is simultaneous with the event "t'= 0.8" in the O observer's frame) but
  222. we also see that in the O' observer's frame it is the O observer's clock
  223. which is running slow by a factor of 1.25 (i.e. the event "t = 1" is
  224. simultaneous with the event "t'= 1.25" in the O' observer's frame). Thus, we
  225. can see at once on this diagram that in each observer's own frame, the other
  226. observer's clock is running slow. This happens to be one of the first, key
  227. points to understanding the twin paradox (which will be discussed fully in
  228. the next section).
  229.  
  230.  
  231.  
  232. 3.2 Comparing Space for O and O'
  233.  
  234.      So, we have found a correlation between the lengths which represent
  235. certain times along the t axis for O and the lengths which represent certain
  236. times along the t' axis for O'. We did this by using (1) the idea of time
  237. dilation which was found earlier to be caused by the fact that light always
  238. travels at c for all inertial observers and (2) the lines of simultaneity
  239. for different observers which we learned how to draw by also using the fact
  240. that light always travels at c for all inertial observers. Similarly, we can
  241. find a correlation between lengths which represent certain distances along
  242. the x axis for O and the lengths which represent certain distances along the
  243. x' axis for O'. As an example, I have drawn a comparison of distances in
  244. Diagram 3-3 which will be explained below.
  245.  
  246.                                  Diagram 3-3
  247.  
  248.                     t            t'
  249.                     ^           /
  250.                     |          /|< line of constant position
  251.                     |         / |    for O at x = 1
  252.                     |        /  |
  253.                     |       /   |       /         x'
  254.                     |      /    |      /        '
  255.               t = 1 +     /     |     /     '        * = point where
  256.                     |    /      |    /  '                 x' = 0.8
  257.                     |   /       |   #
  258.                     |  /        *  /< line of constant position
  259.                     | /     '   | /    for O' at x' = 1.25
  260.                     |/  '       |/
  261.            ---------o-----------+-------> x
  262.                     |           |
  263.                     |         x = 1
  264.                     |
  265.               (Note: The line for x' is a rough approximation)
  266.  
  267.  
  268.      Perhaps the best way to explain this diagram is as follows: Consider a
  269. rod being held by the O observer such that one end of the rod follows the t
  270. axis (and is thus always next to the O observer) while the other end follows
  271. the vertical line drawn at x = 1. The rod then is obviously stationary in
  272. the O observer's frame of reference. Second consider a rod being held by the
  273. O' observer such that one end follows the t' axis and the other end follows
  274. the line of constant position for O' which I have drawn.
  275.      Well, in the O observer's frame, his rod is obviously 1 light-second
  276. long. But notice that in his frame the ends of the O' observer's rod are
  277. next to the ends of the O observer's rod at t = 0. Thus, in the O observer's
  278. frame, the O' observer's rod is also 1 light-second long. But length
  279. contraction tells us that in the O observer's frame, the O' observer's rod
  280. is shorter than its "rest length" by a factor of 1.25. Thus, in the O'
  281. observer's frame (the frame in which his rod is at rest), his rod must
  282. actually be 1.25 light-seconds long. That is how I know that the line of
  283. constant position for O' I drew was for x'= 1.25.
  284.      Now, look at the distance along x' from the origin (o) to the point
  285. marked "#". That distance represents the length of the O' observer's rod
  286. from his own frame of reference (i.e. 1.25 light-seconds). Also, the
  287. distance along x' from the origin to the point marked "*" represents the
  288. length of the O observer's rod in the O' observer's frame of reference. That
  289. distance must be 0.8 because in the O' frame, it is O and his rod which are
  290. moving, and thus his rod seems length contracted by a factor of 1.25 from
  291. its length in the frame of reference in which it is at rest (the O frame).
  292. That number could have also been found by using the fact that the distance
  293. from o to "#" was 1.25 light-seconds.
  294.      Finally, we again note the power of the space-time diagram. At one
  295. glance of Diagram 3-3 we are able to see that in the O' observer's frame,
  296. his rod is 1.25 light-seconds long, while in the O observer's frame it is
  297. only 1 light-second long. At the same time we are able to see that in the O
  298. observer's frame, his rod is 1 light-second long, while in the O' observer's
  299. frame, it is only 0.8 light-seconds long. Thus, each observer believes that
  300. the other observer's rod is shorter than it is in the frame of reference in
  301. which the rod is at rest. They each believe that the other is experiencing
  302. length contraction, and with a space-time diagram, we are able to see how
  303. that is so.
  304.  
  305.  
  306.  
  307. 3.3 Once Again: The Light Cone
  308.  
  309.      Here I want to demonstrate how a light cone appears in the two
  310. coordinate systems. In Section 2.8 I mentioned that the light cone is drawn
  311. exactly the same for the two observers. Now that we understand how to draw
  312. the two coordinate systems completely (i.e. we can now draw "tick" marks on
  313. the x' and the t' axes as well as the x and t axes because of the discussion
  314. above) we can make a diagram which clearly shows this. To start, in Diagram
  315. 3-4 I have shown the results of our discussion above in that I have
  316. indicated approximately where the tick marks (+) would appear on the x' and
  317. t' axes.
  318.  
  319.                                  Diagram 3-4
  320.  
  321.                     t               t'
  322.                     |              /
  323.                     |             +t'=2
  324.                     |            /
  325.                  t=2+           /
  326.                     |          /
  327.                     |         /                           x'
  328.                     |        /                          '
  329.                     |       /                       '
  330.                     |      + t'=1              +'
  331.                  t=1+     /                 '   x'=2
  332.                     |    /              '
  333.                     |   /         + '
  334.                     |  /        '  x'=1
  335.                     | /     '
  336.                     |/  '
  337.       --+-----------o-----------+-----------+---> x
  338.                 '  /|           x=1         x=2
  339.             '     / |
  340.           (Note: Again, x' and t' are rough approximation for v = 0.6 c)
  341.  
  342.  
  343.      Next, in Diagram 3-5 I have drawn the x and t axes along with lines of
  344. simultaneity and lines of constant position (for O) at each tick mark. In
  345. addition, the upper half of a light cone centered at the origin is shown
  346. using # symbols. As you see (and as we would expect), it passes through the
  347. points x = 1 light-second, t = 1 second; x = 2 light-seconds, t = 2 seconds;
  348. etc.
  349.  
  350.                                  Diagram 3-5
  351.  
  352.                         t
  353.                         |
  354.                         |                                 # = Light
  355.             |           |           |           | #
  356.            -------------+-----------------------#-
  357.             |           |           |         # |
  358.             |           |           |       #   |
  359.             |           |           |     #     |
  360.             |           |           |   #       |
  361.           # |           |           | #         |
  362.            -#-----------+-----------#------------
  363.             | #         |         # |           |
  364.             |   #       |       #   |           |
  365.             |     #     |     #     |           |
  366.             |       #   |   #       |           |
  367.             |         # | #         |           |
  368.           --+-----------o-----------+-----------+----> x
  369.             |           |           |           |
  370.                         |
  371.  
  372.  
  373.      Continuing with the diagrams, Diagram 3-6 shows the x' and t' axes
  374. along with lines of simultaneity and lines of constant position (for O') at
  375. each tick mark along those axes. Again, the upper half of a light cone
  376. centered at the origin is also shown. As you see (and as we would again
  377. expect), it passes through the points x' = 1 light-second, t' = 1 second;
  378. etc. Note that the point x' = 1, t' = 1 is marked with an "@" symbol and the
  379. tick marks on the x' and t' axes are marked with "+" marks to help make it
  380. clear how the coordinate system works. Also notice that the light cone
  381. itself is drawn exactly the same as it is in Diagram 3-5.
  382.  
  383.                                  Diagram 3-6
  384.  
  385.                                          t'
  386.                                         /
  387.                    /    '    /         /    '    /         /
  388.                   / '       /         + '       /   #     / '
  389.                 '/         /        '/         /  #     '/
  390.             '   /         /     '   /         / #   '   /
  391.                /         /  '      /         /# '      /          x'
  392.               /         '         /         @         /         '
  393.              /      '  /         /      ' #/         /      '
  394.                 '     /         /   '   # /         /   '
  395.           # '        /         +'     #  /         +'        /
  396.             #       /       ' /     #   /       ' /         /
  397.               #    /    '    /    #    /    '    /         /
  398.                 # / '       /   #     + '       /         / '
  399.                 '/#        /  #     '/         /        '/
  400.             '   /   #     / #   '   /         /     '   /
  401.                /      #  /# '      /         /  '      /
  402.               /         o         /         '         /
  403.              /      '  /         /      '  /         /      '
  404.             /   '     /         /   '     /         /   '
  405.  
  406.  
  407.      Finally, I want to superimpose Diagram 3-5 and Diagram 3-6 to some
  408. extent onto Diagram 3-7. It would be quite cluttered to put all the lines
  409. included in the two diagrams, but I want to include the lines which make up
  410. x = 1, t = 1, x'= 1, and t'= 1. These lines are thus drawn on Diagram 3-7,
  411. but they terminate where they meet the light cone which is also shown. You
  412. should begin to see the relationship between the two different frames of
  413. reference and the fact that the light cone itself is exactly the same in
  414. both coordinate systems. This is a direct result from the fact that every
  415. step we took in producing these diagrams used the assumption that the speed
  416. of light is the same in all inertial frames of reference.
  417.  
  418.                                  Diagram 3-7
  419.  
  420.                     t                t'
  421.                     |               /
  422.                     |              /
  423.                     |             +             #
  424.                     |            /            #
  425.                     +           /           #
  426.                     |          /          #                   x'
  427.                     |         /         #                   '
  428.                     |        /      ' #/                '
  429.                     |       /   '   # /            +'
  430.                     |      +'     #  /          '
  431.                     +-----/-----#   /       '
  432.                     |    /    # |  /    '
  433.                     |   /   #   | + '
  434.                     |  /  #     '
  435.                     | / #   '   |
  436.                     |/# '       |
  437.       --+-----------o-----------+-----------+-----------+--->x
  438.                 '  /|
  439.             '     / |
  440.  
  441.  
  442.      Though this concludes our discussion of space-time diagrams, we will
  443. continue to see them in the next section, because they can be vital tools
  444. for understanding paradoxes in special relativity.
  445.  
  446.  
  447.  
  448.  
  449.  
  450. Chapter 4: Paradoxes and Solutions
  451.  
  452.      One misleading statement many people hear in connection with relativity
  453. is something like this: "Time moves slower for you as your speed increases."
  454. It is misleading because it implies some incorrect concepts. It implies that
  455. there is an ABSOLUTE way to decide whether or not someone is truly at rest
  456. or moving (at a constant, non-zero velocity) when in reality this depends on
  457. your frame of reference. It implies that if you are moving at a constant
  458. velocity, then your clock is moving slower than some sort of "correct" clock
  459. which is truly not in motion. It also implies that you yourself might find
  460. your clock ticking slower than usual.
  461.      However, as I have mentioned earlier, motion is relative. There is no
  462. way to say that one object is truly at rest and another is truly moving at a
  463. constant velocity. You can only say that one object is moving at a constant
  464. velocity RELATIVE TO another object. You can say that in the frame of
  465. reference of one observer (call him Joe) another observer (call her Jane) is
  466. moving at a constant velocity. Then, in Joe's frame of reference, Jane's
  467. clock is running slowly, and she is length contracted in the direction of
  468. her motion. However, in Jane's frame of reference, JOE is the one who is
  469. moving at a constant velocity relative to her. Because the laws of physics
  470. are the same for all inertial frames, we must be able to apply the same laws
  471. to Jane as we just applied to Joe. Thus, in Jane's frame, Joe's clock is the
  472. one which is running slowly, and Joe is length contracted in the direction
  473. of his motion.
  474.      This leads one to question whether or not relativity contradicts
  475. itself. If all motion is relative, we have concluded that each observer
  476. believes that the other observer's clock is running slowly, and each
  477. believes that the other observer is length contracted in the direction of
  478. motion. Isn't that a contradiction? For example, how can Jane's clock be
  479. running slower than Joe's AND Joe's clock be running slower than Jane's?
  480. Well, these questions lead to various solvable paradoxes in special
  481. relativity.
  482.      As a note, the word "paradox" has a few different meanings, and when I
  483. use it here, I will have this meaning in mine: "a paradox is a statement
  484. that seems contradictory or absurd but that may in fact make sense." A
  485. "solvable paradox" is then a paradox that does in fact make sense when
  486. explained correctly, while an "unsolvable paradox" is a paradox for which
  487. the statement "may in fact make sense" doesn't hold (i.e. an unsolvable
  488. paradox is truly self-contradictory).
  489.      The paradoxes in special relativity are solvable, and below I will
  490. present two of these paradoxes along with their solutions.
  491.  
  492.  
  493.  
  494. 4.1 The "Twin Paradox"
  495.  
  496.      The twin paradox deals with the question of "who's clock is running
  497. slower?" The story goes as followers: Two twins (say Sam and Ed) are both on
  498. Earth when one of them (say Sam) decides to leave the Earth by very quickly
  499. accelerating to a speed close to the speed of light. We then consider the
  500. two frames of reference after Sam has reached a constant velocity. According
  501. to special relativity, in Ed's frame of reference, Sam's clock is running
  502. slowly, while in Sam's frame of reference, it is Ed's clock which is running
  503. slowly.
  504.      Now, as long as the two are apart, it is not to hard to argue that the
  505. question is strictly dependent on your point of view. By this I mean that we
  506. can argue that there is no correct answer to the questions--that who's clock
  507. is running slower depends completely on what frame of reference you are in.
  508. However, how would we continue this argument if we added the following to
  509. the story:
  510.      At some point after Sam begins his trip away from the Earth, one of the
  511. twins decides to go meet with the other twin. Either Ed decides to
  512. accelerate away from the Earth and catch up to Sam, or Sam decides to
  513. accelerate back towards the Earth to go back and meet with Ed. We then ask
  514. this question: when the two twins are standing next to one another again,
  515. which one is older?
  516.      With the above addition to the story, there must be a definite answer
  517. to the final question. So, how can we continue to say that the answer
  518. depends on your frame of reference? Well, as we will see, the final question
  519. does have a definite answer, but the question of how this came about IS
  520. dependent on who you ask.
  521.  
  522.  
  523.  
  524. 4.1.1 Viewing it with a Space-Time Diagram
  525.  
  526.      So, now we will try to understand the twin paradox by using our old
  527. friend, the space-time diagram. To do this, we have to decide on some
  528. specifics. First, we will say that the relative motion of Sam and Ed is 0.6
  529. c. So, after Sam has accelerated to a constant speed, he will be traveling
  530. at 0.6 c with respect to the Ed. (Of course, in Sam's frame, it is Ed who is
  531. moving at a speed of 0.6 c away from Sam.) Next, we need to decide who will
  532. be the one who eventually accelerates to go and meet with the other twin. In
  533. our case, we will look at the situation where Sam turns around to go back
  534. and meet with Ed. Finally, I should mention that the accelerations we will
  535. be using will be "instantaneous" accelerations. This means that they take no
  536. time to accomplish. In the real world, it would (of course) take time to
  537. accelerate, and while this would make the space-time diagrams look
  538. differently, the basic ideas we will discuss still hold.
  539.      Now we look at the space-time diagrams. In Diagrams 4-1 and 4-2 below,
  540. I have drawn the whole trip in two parts. In Diagram 4-1, you see Sam headed
  541. away from Ed, and in Diagram 4-2, you see Sam after he has turned around and
  542. is headed back to Ed.
  543.  
  544.                Diagram 4-1                           Diagram 4-2
  545.  
  546.        t                               !        t
  547.        ^                               !        ^
  548.        |                               !        |
  549.        |                               !   t=10 + t'=8
  550.        |                               !        |*
  551.        |                               !        | *
  552.        |                               !        |  *
  553.        |               t'              !        |   *
  554.        |              /    (t'= 4 line)!        |    *
  555.        |             /     /           !   t=6.8\     *
  556.        |            /                  !        |      *
  557.        |           /  /                !        |    \  *
  558.        |          /                    !        |        *
  559.     t=5+ - - - - * - - -> (t = 5 line) !     t=5+ - - - - * - - -> (t = 5
  560.        |        *                      !        |          \         line)
  561.        |    /  *                       !        |           \  \
  562.        |      *                        !        |            \
  563.   t=3.2/     *                         !        |             \     \
  564.        |    *                          !        |              \   (t'= 4
  565.   /    |   *                           !        |               \    line)
  566.        |  *                            !        |                \
  567.        | *                             !        |                 t'
  568.        |*                              !        |
  569.   -----o------------------> x          !   -----o------------------->x
  570.        |                               !        |
  571.        |                               !        |
  572.   (NOTE: Again, to make the ASCII diagram easy to draw, the positions drawn
  573.  for the "moving" observer more closely represents 0.5 c than 0.6 c for his
  574.  speed. I have had to try and approximate the lines of constant time for t'
  575.           accordingly in order to show how the paradox is solved.)
  576.  
  577.  
  578.      Now, to explain the diagrams: Ed (the twin on Earth) is represented by
  579. the x and t axes while x' and t' denote the coordinate system for Sam. Sam's
  580. motion through space-time is represented by the blue line marked t', as
  581. usual. Now, at the origin, Sam instantaneously accelerates to the speed of
  582. 0.6 c. He then proceeds away from Ed until Sam sees that his own clock read
  583. 4 years (just to pick some unit of time--which means that the distances
  584. would be in light-years). When Sam sees his own clock read 4, he turns
  585. around with an instantaneous acceleration. At that point, we switch to
  586. Diagram 4-2. In that diagram, Sam heads back to Ed.
  587.  
  588.  
  589.  
  590. 4.1.2 Explaining the "First Part"
  591.  
  592.      Now let's concentrate on the first of the two diagrams. Just before Sam
  593. turns around, his clock reads 4 years. At that point I have drawn two lines
  594. of constant time (or lines of simultaneity)--one for each observer. The line
  595. parallel to the x axes is (of course) the line of simultaneity for Ed which
  596. passes through the event "Sam's clock reads 4 years". Note that this line of
  597. simultaneity for Ed also passes through the event "Ed's clock reads 5
  598. years". Therefore, in Ed's frame of reference, the events "Sam's clock reads
  599. 4 years" and "Ed's clock reads 5 years" are simultaneous events. This
  600. diagram thus explains how in Ed's frame of reference, Sam's clock is running
  601. slower than Ed's by a factor of 0.8 (that's one over gamma when v = 0.6 c).
  602.      However, the line of simultaneity we were looking at is not a line of
  603. simultaneity for Sam. Sam's line of simultaneity which passes through the
  604. event "Sam's clock reads 4 years" is the one marked "t'= 4 line". This line
  605. also passes through the event "Ed's clock reads 3.2 years". Therefore, in
  606. Sam's frame of reference the events "Sam's clock reads 4 years" and "Ed's
  607. clock reads 3.2 years" are the simultaneous events. This diagram thus
  608. explains how in Sam's frame of reference, Ed's clock is running slower than
  609. Sam's by a factor of 0.8.
  610.      So, the idea that they each believe the other person's clock is running
  611. slowly can be explained. We see that it is, indeed, a question of which
  612. frame of reference you are in, because different events are simultaneous in
  613. different frames. It is interesting to note that this situation only seems
  614. paradoxical in the first place because we are not use to the fact that
  615. simultaneity isn't absolute. In everyday life, we get the idea that when two
  616. events happen at the same time, then that is an absolute fact. However,
  617. relativity shows us that this is not the case, and once we realize that, we
  618. can understand how each observer can believe the other observer's clock is
  619. running slowly.
  620.  
  621.      With this "first part" of the paradox solved, we must now move to the
  622. second part and ask this question: "how do we explain what happens when the
  623. twins come back together?"
  624.  
  625.  
  626.  
  627. 4.1.3 Explaining the "Second Part"
  628.  
  629.      In Diagram 4-2 Sam has seen his own clock read 4 years, and he then
  630. instantaneously accelerated to head back towards Ed. Right after the
  631. acceleration, Sam's clock still basically reads 4 years. Note, however, that
  632. Sam's frame of reference has changed. The inertial frame he was in before he
  633. turned around is different from his inertial frame after he turned around. I
  634. have thus drawn his new time line and a line of simultaneity (one which
  635. passes through the event "Sam's clock reads 4 years") for his new frame of
  636. reference.
  637.      Once again we will look at the simultaneous events in Ed's frame and in
  638. Sam's (new) frame. Since Ed hasn't accelerated, he has remained an inertial
  639. observer, and his frame of reference hasn't changed. Thus, in his frame the
  640. events "Ed's clock reads 5 years" and "Sam's clock reads 4 years" are still
  641. simultaneous. However, Sam is in a new frame of reference, and in this frame
  642. the events "Ed's clock reads 6.8 years" and "Sam's clock reads 4 years" are
  643. the simultaneous events.
  644.      So, each observer has his own explanation for the final outcome of the
  645. situation. For Ed, Sam's clock is ticking slowly before the turn-around,
  646. nothing significant happens when Sam turns around, and Sam's clock continues
  647. to tick slowly after the turn-around (because he is still moving at 0.6 c
  648. with respect to Ed). That is how Ed explains why he has aged 10 years and
  649. Sam has only aged 8 years when they get back together at the end of Sam's
  650. trip.
  651.      However, for Sam, the explanation is different. Before the turn-around,
  652. Sam is in a frame of reference in which Ed's clock has been ticking slow,
  653. and it has ticked 3.2 years while Sam's clock has ticked 4 years. After the
  654. turn-around, Sam is in a frame in which Ed's clock (though it is still
  655. ticking slowly) has already ticked 6.8 years while Sam's clock still reads
  656. only 4 years have passed. Note that since Ed's clock is still running slowly
  657. in Sam's new frame of reference, it will still only tick another 3.2 years
  658. (in Sam's frame) during the last half of the trip, while Sam's clock ticks
  659. another 4 years. However, since in Sam's new frame, Ed's clock has already
  660. ticked 6.8 years, the additional 3.2 years will make a total of 10 years of
  661. ticks for Ed's clock. Meanwhile, Sam has seen his own clock tick a total of
  662. only 8 years.
  663.      And there you have it. Each observer agrees (as it must be) that when
  664. the two are back together again, Ed will have aged a total of 10 years while
  665. Sam has only aged a total of 8 years. They each have completely different
  666. ways of explaining how this happened, but in the end, they each agree on the
  667. final outcome.
  668.  
  669.  
  670.  
  671. 4.1.4 Some Additional Notes
  672.  
  673.      There are four specific things I want to make note of concerning the
  674. twin paradox as I have explained it.
  675.      First, we should note that the outcome of the above thought experiment
  676. (i.e. the fact that Sam ended up younger than Ed) is completely dependent on
  677. the fact that Sam turned around and headed back to Ed. If instead Ed had
  678. done the acceleration when he saw his own clock tick 4 years and had headed
  679. over to meet Sam, then Ed would be the one who had aged a total of 8 years
  680. while Sam had aged 10 years. Notice that the twin who undergoes the
  681. acceleration must actually have a physical force applied to him to cause
  682. that acceleration. During the acceleration he is no longer an inertial
  683. observer (this is why his frame of reference shifts while the other twin's
  684. frame does not shift). That differentiates his situation from the twin who
  685. does not accelerate, and that breaks the symmetry between the two observers.
  686. Unless one of them goes through an acceleration, their situations are
  687. completely symmetric, and there is no absolute answer to the question "which
  688. twin is younger?"
  689.      Second, I want to note something particular about the acceleration Sam
  690. went through. Look back at the lines of simultaneity drawn for Sam's frame
  691. before and after he accelerated. As we noted, the point where his "t' = 4"
  692. line of simultaneity cross the t axis (Ed's position) shifts upward when Sam
  693. turns around. Notice, however, that if Sam had taken a longer trip, then he
  694. would have done the acceleration when he was further from Ed. Then that
  695. "shift" would have been even larger, and after the acceleration, Sam's new
  696. frame of reference would be one in which Ed's clock had "jumped" ahead an
  697. even greater number of years. So, for Sam, the longer the trip he takes, the
  698. bigger the change will be when he switches his frame of reference, and that
  699. will make him an even greater number of years younger than Ed when they get
  700. back together. Of course, for Ed, the longer the trip is for Sam, the longer
  701. Sam's clock will be running slowly. So, Ed too agrees (with a different
  702. explanation) that Sam will be more years younger than Ed in the end if the
  703. trip is longer. As a final point on this, note that when Sam first
  704. accelerates to start his trip, he is right next to Ed, so the acceleration
  705. doesn't have much effect at all (as is true for his final acceleration at
  706. the end of the trip). That is why we basically ignored those accelerations.
  707.      Third, I want to note something about Sam's explanation of the events.
  708. Recall that when he changed frames of reference, his clock read 4 years
  709. while (in his new frame) Ed's clock read 6.8 years. One may think that Sam
  710. has thus changed to a frame where Ed's clock has been running faster;
  711. however, we know that in Sam's new frame, Ed is still moving with respect to
  712. Sam. Thus, in Sam's new frame Ed's clock has still been running slowly the
  713. whole time. To understand how this can be, consider a third observer (Tim)
  714. who has always been in the frame of reference which Sam has during the last
  715. part of the trip. Let's say that Tim was traveling along (going to Earth)
  716. when he saw Sam headed towards him, and to Tim's surprise, Sam turns around
  717. and joins Tim in Tim's frame of reference as the two come together. Thus,
  718. after Sam turns around, he and Tim are moving together, side by side. Now,
  719. Tim notices that right after Sam turns around, Sam's clock reads 4 years.
  720. Regardless of what Tim's clock reads, he can reset his clock to 4 years, and
  721. we can backtrack 4 years along Tim's path to identify the origin of Tim's
  722. frame (Sam's new frame). In Diagram 4-3 I have drawn (along with everything
  723. in Diagram 4-2 Tim's path, the origin (o') of Sam's new frame of reference,
  724. and a line of simultaneity for Tim's and Sam's frame at that origin.
  725.  
  726.                                  Diagram 4-3
  727.  
  728.                          t
  729.                          ^
  730.                          |
  731.                     t=10 + t'=8
  732.                          |*
  733.                          | *
  734.                          |  *
  735.                          |   *
  736.                          |    *
  737.                     t=6.8\     *
  738.                          |      *
  739.                          |    \  *
  740.                          |        *
  741.                       t=5+ - - - - * - - -> (t = 5
  742.                          |          \         line)
  743.                          |           \  \
  744.                     t=3.6|\           \
  745.                          |             \     \
  746.                          |     \        \   (t'= 4
  747.                          |               \    line)
  748.                          |          \     \
  749.                          |                 \
  750.                          |               \  \
  751.                     -----o-------------------o'----->x
  752.                          |                    \
  753.                          |                   (Tim's path)
  754.  
  755.  
  756.      Notice that for Sam's new frame (the frame Tim has always been in) if
  757. t'= 4 when Sam turns around, then the event at Ed's position which is
  758. simultaneous with the origin in this frame (o') is the event "Ed's clock
  759. reads 3.6 years". And there you have it. In Sam's new frame, while it is
  760. true that Ed's clock is always been running slow, at the "beginning" for
  761. this frame (i.e. at its origin) Ed's clock started at 3.6 years. In this new
  762. frame of Sam's, Ed's clock had a "head start" (so to speak) when compared to
  763. Tim's clock. That is why Ed's clock already reads 6.8 years while Sam's
  764. clock reads only 4 years in Sam's new frame. In the end, we can describe the
  765. events in whatever frame of reference we wish, and though they may each have
  766. different explanation for what actually happens, they must all agree with
  767. the final outcome when the two twins come back together.
  768.      The final note I want to make is, again, about Sam's "view" of the
  769. events. When we say that before Sam's turn-around he is in a frame of
  770. reference in which Ed's clock reads 3.2 years, and after the turn-around Sam
  771. is in a frame of reference in which Ed's clock reads 6.8 years, one might be
  772. tempted to say that as Sam accelerates, Ed's clock speeds up in Sam's frame
  773. of reference. Of course, this doesn't change the way Ed sees his clock
  774. running, but it is only the way things occur in Sam's changing frame of
  775. reference. However, think about what would happen if Sam quickly changed his
  776. mind after the turn-around and immediately turned BACK around to his
  777. original heading. Then, in this new acceleration, Sam went from a frame
  778. where Ed's clock read 6.8 years to a frame where Ed's clock reads 3.2 years
  779. again. One would thus argue that Ed's clock went backwards in Sam's changing
  780. frame of reference. Again, this doesn't have any real significance to the
  781. way Ed is reading his own clock, but we have to come to terms with the fact
  782. that Sam's new acceleration caused Ed's clock to go backwards in Sam's
  783. changing frame. Perhaps the best way to think about this is simply to
  784. realize that Sam is not in an inertial frame since he is accelerating.
  785. Rather, Sam is simply changing into various inertial frames, and in each of
  786. these inertial frames, moving clocks do tick slowly, time does goes forward
  787. in all frames, etc. Either way you like to think about it, in the end, we
  788. can explain the outcomes as needed.
  789.  
  790.  
  791.  
  792. 4.2 The "Car and Barn Paradox"
  793.  
  794.      The "Car and Barn" paradox deals with the question of "whose lengths
  795. are shorter?" We have a barn whose front and back doors can be quickly open
  796. and closed. There is also a car which is just long enough so that if you try
  797. to fit it in the barn, and the barn doors close, they would close down on
  798. the front and back bumpers of the car. Now, an observer in the car (say,
  799. Carol) speeds the car towards the barn at a significant fraction of the
  800. speed of light. One might then argue the following: from the point of view
  801. of an observer sitting in the barn (say, Bob) the car will be length
  802. contracted, and at some point it will be completely inside the barn. Bob
  803. then reasons that he can close and open both barn doors while the car is
  804. completely inside the barn. However, Carol will argue that it is the Barn
  805. which moving with respect to here, and thus it the barn which is length
  806. contracted. So, she argues, if Bob tries to close both doors at the same
  807. time as the car goes through the barn, then the doors will smash into the
  808. car.
  809.      We thus want to ask whether or not the barn doors do smash into the car
  810. if Bob tries his idea, and how does each observer explain the outcome.
  811.  
  812.  
  813.  
  814. 4.2.1 Viewing it with a Space-Time Diagram
  815.  
  816.      As we did with the twin paradox, here we will look at a space-time
  817. diagram of the car and barn experiment in order to explain the paradox. We
  818. will draw our diagrams such the relative velocity of Carol and Bob is 0.6 c.
  819. In Diagram 4-4 I have drawn the situation keeping Bob's frame of reference
  820. in mind. To keep the diagram from getting too cluttered, a second diagram
  821. (Diagram 4-5) of the same situation will be used to mark points according to
  822. Carol's frame of reference.
  823.  
  824.               Diagram 4-4                          Diagram 4-5
  825.  
  826.                   t                 !                    t
  827.           e       | <     x     >   !            e       | <     x     > .
  828.           e       |<      x    >    !            e       |<      x    4
  829.           e       <       x   >     !            e       <       x . >   .
  830.           e      <|       x  >      !            e      <|      .4  > .  .
  831.           e     < |       x >       !            e     < |   .   x 3  .
  832.           e    <  |       x>        !            e    <  |.     .3>.     .
  833.           3...3...|.......D         !            e   < . |   .  .D    .
  834.           e  <    |      >x         !            e  4    |.  .  >x .
  835.    -------B-2-----o-----2-C----->x  !   ---------B-<---.-o.---->-C------>x
  836.           e<      |    >  x         !         .  e< .  . |    1  x
  837.           A.......|...1...1         !      .     A  .    | . >   x
  838.          <e       |  >    x         !   .     . <2      .|  >    x
  839.         < e       | >     x         !      .  .2 e   .   | >     x
  840.        <  e       |>      x         !   .  .  <  e.      |>      x
  841.       <   e       >       x         !   .    < . 1       >       x
  842.      <    e      >|       x         !       1    e      >|       x
  843.     <     e     > |       x         !    . <     e     > |       x
  844.  
  845.  
  846.      In the diagrams we have the following: The ">" marks indicate the
  847. positions of the front of the car at different points in time, while the "<"
  848. marks show the back of the car. The e's mark the entrance to the barn, and
  849. the x's mark the exit of the barn. Hopefully it is apparent to the reader
  850. that the car travels from left to right (with respect to the barn) and
  851. passes through the barn. Also note that at the point where the entrance and
  852. exit of the barn cross the x axis (i.e. when the front and back of the barn
  853. are both at t = 0 in Bob's frame), both the front and back doors quickly
  854. close and open again. Those points are labeled B and C.
  855.  
  856.  
  857.  
  858. 4.2.2 The explanation
  859.  
  860.      We are interested in six different occurrences (though only 4 are shown
  861. in the diagrams). The ones not shown in the diagrams are, first, the front
  862. of the car enters the barn, and second, the back of the car exits the barn.
  863. These would appear much lower and much higher (respectively) in the diagram
  864. than is being shown here. The four events that we do note in the diagrams
  865. are (A) the back of the car enters the barn, (B) the entrance door of the
  866. barn closes and opens again, (C) the exit door of the barn closes and opens
  867. again, and (D) the front of the car exits the barn. In the diagrams, I have
  868. marked each of these events with the letters given and drawn lines of
  869. simultaneity (marked with periods) for the observers.
  870.      In Diagram 4-4, we see that for Bob (whose lines of simultaneity are
  871. drawn in that diagram), (A) is the first event which happens, and everything
  872. that occurs simultaneous to (A) in Bob's frame of reference is marked with a
  873. 1. The next two events in Bob's frame are (B) and (C), which occur
  874. simultaneously. Everything which occurs simultaneous to these events is
  875. marked with a 2. Finally for Bob, (D) occurs, and everything which occurs
  876. simultaneous to it is marked with a 3. Note that for Bob, as the back of the
  877. car enters the barn--event (A)--the front of the car has yet to exit the
  878. barn. Also, when the doors close and open--events (B) and (C)--simultaneous
  879. in Bob's frame, the front and back of the car are inside the barn (they are
  880. marked with 2's). Thus, in Bob's frame, the car is smaller than the barn,
  881. and it is inside the barn when the doors close and open. Finally, after both
  882. doors close and open, the front of the car exits the barn--event (D)--in
  883. Bob's frame.
  884.      However, in Diagram 4-5 we see simultaneous events marked from Carol's
  885. frame of reference. Again, the lines of simultaneity at each event are
  886. marked with periods (but here they are drawn from Carol's frame). Now, we
  887. see that the "lowest" line of simultaneity on the diagram from Carol's frame
  888. of reference passes through the event (C), the exit door of the barn closes
  889. and opens. Thus, this event occurs first in Carol's frame. Everything
  890. occurring simultaneous with it in Carol's frame is marked with a 1. Next in
  891. Carol's frame, event (D) occurs, followed by event (A), while event (B)
  892. occurs last. The events occurring simultaneous with these events are marked
  893. 2, 3, and 4, respectively. Thus, according to Carol's frame, things happen
  894. as follows: First, while the front of the car is in the barn, but before the
  895. back of the car enters the barn, the exit door of the barn closes and opens.
  896. Next, the front of the car exits the barn. (Note that while the front of the
  897. car is then outside the exit of the barn at this point, the back of the car
  898. has yet to enter the barn in Carol's frame--look along the x' axis, for
  899. example. So for Carol, the barn is smaller than the car.) Next, the back of
  900. the car enters the barn in Carol's frame. Finally, after the front of the
  901. car has exited the barn and the back of the car has entered the barn, the
  902. entrance door of the barn closes and opens.
  903.      And there you have it. In the end, each observer must agree that the
  904. car gets through the barn without smashing into the doors. However, each
  905. frame of reference offers a different explanation for how this comes to be,
  906. because in each frame, different events are simultaneous with one another.
  907. In Bob's frame, the car is in the barn all at once while the doors close and
  908. open simultaneously. However, in Carol's frame, the doors do not close
  909. simultaneously, and the car is never completely in the barn.
  910.  
  911.      So, I hope you have seen the power of space-time diagrams when it comes
  912. to explaining things in special relativity. When we simply say that moving
  913. clocks run slower and moving rulers length contract, we miss a real
  914. understanding of special relativity. That understanding comes from realizing
  915. that the actual coordinates in space and time for events are different for
  916. different observers who are moving with respect to one another. This
  917. relationship can be viewed with space-time diagrams, and the answers to many
  918. nagging questions in special relativity can be explained if one understands
  919. these diagrams.
  920.  
  921.  
  922.