Tidsdilatasjon: lysklokke-tankeeksperimentet

1 · Prediker

En «lysklokke» spretter en lyspuls mellom to speil, og tikker én gang per rundtur. Hvis hele klokken beveger seg i høy fart i forhold til deg, observerer du den tikke saktere, raskere, eller i samme takt som en identisk klokke i hvile?

• Saktere — en bevegelig klokkes lyspuls må reise en lengre diagonal bane (fra observatørens system), så hvert tikk tar lengre tid.
• Raskere — bevegelse øker klokkehastigheten.
• Samme takt, siden lys alltid reiser med c uavhengig av klokkebevegelsen.

2 · Oppsett

1. Åpne lysklokke-dilatasjon-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. Klokken egen tid per tikk er fast ved 1 µs.
2. Aktiver Lorentz-faktor- og utvidet-tid-avlesningene.
3. Sett klokken hastighet (som en andel av lyshastigheten, β = v/c) for hvert forsøk og registrer den utvidede tiden observert.

3 · Samle inn data

Plott utvidet tid Δt (y-akse) mot β (x-akse) for dine tre forsøk. Stiger kurven forsiktig først, og deretter bratt?

4 · Analyser

1. For ett forsøk, beregn γ = 1/√(1 − β²), deretter Δt = γ·Δt_proper med egentid 1 µs. Sammenlign begge med tabellen.
2. Forklar hvorfor γ forblir nær 1 (knapt noen dilatasjon) ved lave hastigheter, men stiger bratt etter hvert som β nærmer seg 1 — lysklokkens diagonalbane blir først dramatisk lengre når klokken hastighet blir en betydelig andel av lyshastigheten.

5 · Utvid

1. Fra perspektivet til noen som reiser MED den bevegelige klokken, er det deres egen klokke som virker normal — og en klokke på Jorden som fremstår å gå sakte i stedet. Forklar hvorfor tidsdilatasjon fremstår symmetrisk mellom to observatører i relativ bevegelse, og hvorfor dette ikke er en selvmotsigelse (det løses av hvilken observatør som faktisk endrer referansesystem).
2. GPS-satellitter beveger seg raskt nok til at spesiell-relativistisk tidsdilatasjon (pluss en generell-relativistisk effekt fra svakere tyngdekraft i høyden) forårsaker målbar klokkedrift, korrigert for i systemets design. Hvorfor ville ignorering av denne lille effekten til slutt forårsake meningsfulle GPS-posisjoneringsfeil?

Fysikken bak dette eksperimentet

← Tilbake til eksperimentet

138 gratis, utskrivbare fysikk-arbeidsark