06 Muon Paradox




   Today, I would like to talk about the muon paradox. There are several subatomic particles that are smaller than atoms, such as a μ-meson. It is called a μ-meson, but it is abbreviated to muon. The lifetime of this muon is fixed. The proper lifetime of this particle is 2.2 μsec. It only survives for a very short moment, and then  it collapses into other particles.

Cosmic-rays are constantly coming out of space due to the explosion of stars in the universe or the nuclear fusion reaction of the sun. At this time, the cosmic-ray and the earth's atmosphere react to create a muon. Muon's speed is near the speed of light when it falls to Earth. It drops at a rate of about 0.998c. However, even if it falls so fast, it cannot reach the ground because its life is short.

If the muon has a lifetime of 2.2 μ sec and a speed of 0.998 c, the muon can run about 650 m from the point where it was created. The point where the usual muon occurs is about 10km above sea level. If so, the muon should never be found theoretically at sea level. However, muon particles are actually found at sea level. What we cannot find is actually discovered, so we call this a ‘muon paradox’.

Figure 1. Overview of muon paradox




In fact, the muon paradox has already been released halfway. It can be explained nicely by interpreting it as a time dilation. Since the muon runs at 0.998c, the Lorentz factor γ is about 30. If so, the lifetime of muon is lengthened by about 30 times. If it does, it will be able to reach sea level easily enough because it runs more than 30 times longer. It's a great success.

The problem appears when interpreting this phenomenon as a length contraction. The effects of relativity always occur together. (time dilation and length contraction) Let's interpret this phenomenon once in length contraction. If interpreted as a length contraction, the muon will have to run a shorter distance than before, and can never reach sea level. So, it is not explained. So, no one could explain the phenomenon of sea level reaching the muon using length contraction. At that time, Banesh Hoffmann courageously explains this phenomenon in his book "Relativity and Its Roots": 1)




Figure 2. The solution of muon paradox claimed by Banesh Hoffmann


He explains that when you look at the Earth from the muon's perspective, the muon is relatively stationary and the Earth rushes toward the muon at 0.998c. So, the length of the earth is about 30 times flattened, and the distance is shorter. He explains that muon can reach sea level easily enough because of the short distance. These explanations also appear in high school students' textbooks these days.
 
At this point, I cannot help myself. In the above explanation, we observed from the earth when describing this using time dilation, and observed from muon when explaining using length contraction. Why did he do that? What is the reason for you to change the position of the observer during the description? What is the scientific basis?
 
Suppose that observing the earth from the perspective of the muon, solves the problem. If so, present a photograph of the flattened earth when observed in the muon. It is not necessarily a photograph. Present any evidence that the earth is shrinking like a pen cake and rushing toward the muon. When I asked for it, someone who was a physics expert asked me:

Do you believe that you must see it with your own eyes?

How do you recognize physical phenomena without seeing them? How do you accept it without proof? It is not a piece of literature or a novel. It is common knowledge to be recognized as a legitimate theory or fact only if it is logically correct and experimentally verified. To claim 'from the muon's point of view, the earth will shrink', you must first present the evidence. You should not claim this before. Physics is science, not faith.

If length contraction theory cannot solve this paradox, you might think that length expansion theory is the same. No. The theory of length expansion has solid evidence. Muon's sea level reach was observed by David and James on Earth. And they published it in paper. The evidence is the following paper.

Frisch, David H. and Smith, James H., “Measurement of the Relativistic Time Dilation Using μ-Mesons”, Am. J. Phys., 32. 342.

Did David and James observe the muon on Earth? Or did they ride the muon and observe the earth? They naturally stood on the earth on both feet and observed muons running at 0.998c. If so, the problem has already been solved. Originally it has to run 650m, but Muon's flight has expanded to 10km. Theoretically, the muon cannot be reached, but it is obviously expanding because it has actually arrived. Thus, the sea surface arrival of muon particles is evidence of length expansion, not evidence of length contraction.

Figure 3. Three theories about muon paradox. Because David and James are people who live on Earth, this paradox must be explained from the perspective of the earth. 
(1) Analysis of length contraction theory 
(2) Analysis of classical theory 
(3) Analysis of length expansion theory

Logically, I will yield one more time. From the muon's perspective, let's assume that the Earth ran at 0.998c. There is one thing Hoffman has missed decisively. Muon is falling to earth at this moment. Muon is flying to Earth from various directions. As Hoffmann says, let's assume that the muon is now approaching from the Arctic. If so, the Earth will have to run towards the Arctic and toward the Muon at 0.998c. At this time, muon is approaching from the Antarctic side at the same time. If so, should the Earth run to the North Pole? Or should I run to Antarctica? If neither of these two cases is happening, will the Earth just explode?

Figure 4. Muon particles approaching simultaneously in the Antarctic and the Arctic and collapsing earth


The earth did not split because of muons approaching on both sides. We are still alive and living. This fact proves that the theory of length contraction is not correct. Thus, the muon paradox must be interpreted as a length expansion, not a length contraction.
 
This paradox is associated with several topics: 'Relations with twin paradoxes and muon paradoxes', 'Relations with companion rules', 'Muon in accelerator', 'GPS and muon paradox'. These topics will be discussed later.
There are those who claim that the earth shrinks when observed from the muon's standpoint. I will tell them once again. If you really think so, present a photo or video of the Earth's contraction or experimental evidence equivalent to that. Before presenting the evidence, you should not say "Earth has contracted."

Let's summarize one more time. If you claim that Muon's sea level reach is evidence of length contraction, you should answer a few questions below.

1. If the muon's sea level reach is evidence of length contraction, present experimental evidence (a picture of a flat earth like a pen cake).

2. I will present clear evidence of expansion of the length. The evidence is below.
David and Smith and James apparently observed muons on Earth.

Frisch, David H. and Smith, James H., “Measurement of the Relativistic Time Dilation Using μ-Mesons”, Am. J. Phys., 32. 342.
3. If a muon approaches the Antarctic and the Arctic at the same time, should the Earth collapse?




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Comments

  1. 곽선생님의 길이 팽창 개념을 따라 가면서 상대성이론을 이해하는데 많은 도움이 되어 감사드리고 ..
    여러가지 사례 중에서 뮤온 패러독스 관련하여 한 가지 의문점이 생겨 질문을 드립니다
    이 질문과 관련하여 ~
    우선 그 동안 곽선생님의 유투브 동영상을 보면서 설명들은 몇 가지 사항을 정리하고 이를 바탕으로 질문을 드리는 것이 좋을 것 같습니다

    * 몇가지 관련 사항
    (1) 기본 공통사항
    - 정지관성계(S)인 지구에서 지구를 관측하는 시간을 t와 거리를 x라고 하고,
    - 이동관성계(S')인 뮤온에서의 뮤온을 관측하는 시간을 t'와 거리를 x'라고 나타내는 경우

    (2) 뮤온의 관점에서 뮤온을 관측한 내용
    - 뮤온의 속도 v' = 0.998c (여기서 광속 c = 30만 km/s = 2.2 x 10^(-8) m/s 와 거의 같음),
    이 경우 로렌츠 인자(감마)는 대략 10정도임
    - 뮤온이 대기권에서 생성되어 사라질 때까지 시간 T' = 2.2us = 2.2 x 10^(-6) s 라고 보면
    - 뮤온이 사라지기 전까지 달린 거리 X' = v'T' = 660 m

    (3) 지구의 관점에서 지구를 관측한 내용
    - 지구의 관측자가 대기권에서 해수면까지의 지구상의 거리 D = 6000m 라고 가정합니다

    * 이제 뉴턴 역학으로 해석하면 ~
    뮤온이 달린 거리 X' = 660m 가 대기권에서 해수면가지의 거리 D = 6000m 보다 짧아서
    뮤온이 해수면에 도달할 수 없지만 ...
    * 곽선생님의 설명에 따르면 ~
    실제로는 해수면에서 뮤온이 관측된다는 것이 실험적으로 입증된 사실이어서
    이를 두고 '뮤온 패러독스'라고 한다지요

    * 이제 길이팽창/수축 관련 다른 동영상에서 강조하고 있는 로렌츠변환에 대해 정리해 보면
    (A) 지구(S)에 있는 관측자의 입장에서는 ...
    - 상대적인 속도로 달리는 뮤온(S')의 관점에서 측정한 뮤온의 시간(t')와 거리 (x')에
    로렌츠 변환을 적용하는 것은 가능하지만
    (예) 뮤온의 생존시간 T' = 2.2us는 뮤온(S')의 관점에서의 시간이므로
    지구(S)의 관측자가 보는 뮤온의 상대시간(T)는 로렌츠인자를 곱해
    T = 10T = 22us 가량 될겁니다 (시간팽창)
    지구(S)의 관점에서 뮤온이 달리는 상대거리 X = v'T = 6,600m
    - 상대적으로 정지한 지구(S)의 관점에서 측정한 지구의 시간(t)와 거리(x)에는
    지구(S)의 관점에서 관측하는 시간을 구하기 위해 로렌츠변환을 적용해서는 안됨
    (예) 대기권에서 해수면까지의 거리 D = 6000m는
    지구(S)의 관측자 관점에서 측정한 지구의 거리이므로
    이 경우 로렌츠변환을 적용해서는 안되므로 그대로 D = 6000m가 됩니다
    => 여기서 지구(S)에 있는 관측자의 관점에서
    뮤온이 달리는 상대거리 X가 대기권에서 해수면까지의 거리 D 보다 길기 때문에
    실험치와 잘 부합되어 모순없이 잘 설명됩니다
    (B) 뮤온(S')의 입장에서는 ...
    - 상대적으로 달리는 지구(S)의 관측자가 측정한 지구의 시간(t)와 거리(x)에
    로렌츠변환을 적용하는 것은 가능하지만
    (예) 대기권에서 해수면까지의 지구(S)에서의 거리(D)에 대해서는
    로렌츠인자를 길이팽창 또는 수축 공식에 적용하여 상대거리(D')를 구할 수 있겠지요
    (1) 길이수축인 경우 D' = D/10 = 6000m/10 = 600m
    (2) 길이팽창인 경우 D'=10D - 60,000m
    - 상대적으로 정지한 뮤온(S')의 관점에서 측정한 시간(t')와 거리(x')에는
    로렌츠변환을 적용해서는 안된다고 것이지요
    (예) 뮤온(S')의 관점에서 측정한 뮤온의 생존주기 T'=2.2us 에 대해서는
    상대시간을 위해 로렌츠변환을 적용해서는 안되므로 동일한 시간이 됩니다
    또한 뮤온의 이동 속도 v' = 0.998c 도 뮤온(S')의 관점에서 측정한 속도이므로
    로렌츠변환을 적용해서는 안되므로 동일한 속도가 됩니다
    이제 뮤온이 달리는 거리 X' = v'T' = cT' = 660m

    => 여기서 길이수축과 길이팽창의 두가지 관점을 비교하면
    (1) 길이수축인 경우
    뮤온이 달린거리 X'=660m가
    대기권에서 해수면까지의 상대거리 D'= 600m 보다 길어서
    해수면에서 뮤온이 관측되는 실험결과와 부합됩니다
    (2) 길이팽창인 경우
    뮤온이 달린거리 X'=660m가
    대기권에서 해수면까지의 상대거리 D'= 60,000m 보다 짧아서
    해수면에서 뮤온이 관측되는 실험결과와 모순됩니다

    *** 동영상 보다가 또 다른 모순처럼 보여 질문을 올리게 되었습니다
    이러한 제 생각 중에서 ... 어디가 잘못된 것인지 궁급합니다

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    Replies
    1. 안녕하세요?

      결론부터 말씀드리면, 뮤온의 입장에서 관측하는 것은 불가능합니다. 따라서 뮤온의 입장에서 길이수축을 사용하여 뮤온의 해수면 도달현상을 해석하는 것은 불가능합니다. 이것은 정확하게 쌍둥이 패러독스의 해석과 충돌됩니다. 쌍둥이 패러독스가 어떻게 해석되는지 잘 알고 계실것입니다. 일반상대론적으로 해석하면 지구의 질량이 뮤온보다 월등하게 크고 지구가 휘게하는 곡률이 크므로 오해의 여지가 전혀 없습니다. 그리고 특수상대론적으로 해석하면, 반드시 로켓의 쌍둥이가 가속운동을 한다는 내용이 필연적으로 들어갑니다. 그렇지 않으면 쌍둥이 패러독스는 해석되지 않습니다. 여기에는 별의의가 없을것으로 생각합니다.

      뮤온패러독스도 마찬가지입니다. 가속이나 운동의 영향을 받는것은 지구가 아니라 뮤온입니다. 따라서 상대론적 영향을 받는 것도 당연히 지구가 아니라 뮤온입니다. 고로 길이수축으로 해석하면 뮤온의 절대로 해수면에 도달할수없습니다. 그러나 길이팽창으로 해석하면 정확하게 해석된다는 것입니다.

      그리고 이러한 해석은 상대론 전체의 내용과 쌍둥이 패러독스와도 전혀 모순이 없습니다.
      감사합니다. 늘 평안하세요.

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