Dotyczy wzoru:
Założenia:
Jedynym założeniem
jakie – zgodnie z teorią względności – przyjmujemy, jest
niezmienność prędkości światła, mówiąc inaczej: że każdy
obserwator, bez względu na to, co by ze sobą nie robił (spoczywał
czy poruszał się), zawsze zmierzy tę samą wartość prędkości
światła. Jest to złożenie sprzeczne z klasyczną fizyką
(dodawanie i odejmowanie prędkości), ale jak pokazały
doświadczalne pomiary, rzeczywiście tak jest.
Zanim przystąpimy do
wyprowadzenia wzoru opisującego dylatację czasu, zdefiniujmy dwa
układy: jeden poruszający się a drugi spoczywający. W obu
układach obserwatorzy będą rejestrować to samo zdarzenie
polegające na wysłaniu promienia światła prostopadle do kierunku
ruchu. Promień ten zostaje wysłany z nadajnika N, odbija się od
lustra umieszczonego na suficie i wraca z powrotem do nadajnika.
Układ poruszający się
W układzie poruszającym
się obserwator zarejestruje zdarzenie przedstawione na poniższej
grafice:
Wyznaczając czas
potrzebny światłu na powrót do nadajnika, korzystamy z klasycznego
wzoru wiążącego czas z drogą i prędkością:
W tym przypadku ustalamy
następujące oznaczenia:
t' – czas w układzie
poruszającym,
2L – droga, jaką
przebywa światło. Jest ona podwojona, ponieważ światło
zmierzając do sufitu i potem, odbiwszy się od niego, wracając,
pokonuje dwa razy tę samą drogę,
c – prędkość
poruszania się światła.
Korzystając z powyższych
oznaczeń, obserwator w układzie poruszającym się przedstawi
następujący wzór opisujący czas potrzebny światłu na pokonanie
określonej przez nas drogi:
Układ spoczywający
Z uwagi na poruszanie się
poprzedniego układu, obserwator znajdujący się w układzie
spoczywającym zaobserwuje zupełnie inne zjawisko opisane w
poniższej grafice:
Względem układu
spoczywającego, układ poruszający się pokona pewną drogę, tak
samo, jak promień światła, który dla obserwatora spoczywającego
nie poleci prostopadle do góry, tylko po skosie, ponieważ zanim
dotrze on do sufitu (i później – nim wróci), cały układ
przesunie się nieco na tle układu nieruchomego.
Dla obserwatora
znajdującego się w układzie spoczywającym promień światła
wysłany w układzie poruszającym się wykona drogę wzdłuż ramion
trójkąta (h). W związku z powyższym czas potrzebny światłu na
pokonanie tej drogi opisze on następująco:
gdzie:
t – czas w układzie
nieruchomym,
h – droga przebyta
przez światło w jedną stronę (stąd mamy we wzorze 2h),
c – prędkość
światła.
Wyprowadzenie wzoru na dylatację czasu (sposób klasyczny)
Rozważając to samo
zdarzenie (wysłanie promienia światła), widzimy, że obserwator
spoczywający zmierzył inną drogę niż obserwator poruszający
się. Ten drugi zmierzył ją w swoim układzie (np. względem ścian
rakiety), podczas gdy drugi mierzył ją względem swojego,
nieruchomego układu (np. Ziemi). Możemy ją opisać klasycznym
wzorem d=Vt, gdzie:
d – droga przebyta
przez poruszający się układ,
V – prędkość
poruszania się tego układu,
t – czas, w jakim układ
przebył tę drogę.