Szczególna względność: dylatacja czasu

Dylatacja czasu

Gdy coś porusza się blisko prędkości światła, czas płynie dla niego wolniej w porównaniu z kimś patrzącym z zewnątrz. To nie sztuczka zegara — sam czas naprawdę się rozciąga, a ruchome obiekty kurczą się wzdłuż kierunku ruchu o dokładnie ten sam czynnik.

Wzór

Δt = γ · Δt₀ , γ = 1 / √(1 − v²/c²)

  • Δt — czas dylatowany (s): odstęp czasu zmierzony przez obserwatora, obok którego zegar przelatuje
  • Δt₀ — czas własny (s): odstęp czasu zmierzony przez kogoś jadącego z zegarem
  • v — prędkość względna (m/s): jak szybko zegar porusza się względem obserwatora
  • c — prędkość światła (m/s): uniwersalny limit prędkości, około 3 × 10⁸ metrów na sekundę
  • γ — współczynnik Lorentza (none): jak bardzo czas się rozciąga, a długość kurczy przy tej prędkości

Przykład rozwiązany

Statek kosmiczny przelatuje obok Ziemi z 0.8 prędkości światła. Bicie serca astronautki trwa 3 sekundy według jej zegara. Jak długo trwa to bicie według obserwatora na Ziemi?

  • v = 0.8 c
  • Δt₀ = 3 s
  1. γ = 1 / √(1 − 0.8²) = 5/3
  2. Δt = γ · Δt₀ = (5/3) · 3 s

Δt = 5 s

Sprawdź się

Bicie serca astronautki trwa teraz 6 sekund według jej zegara, wciąż przy 0.8c. Jak długo mierzy je obserwator na Ziemi?
  • 8 s
  • Poprawna odpowiedź: 10 s
  • 3.6 s

Dobrze! Gamma to wciąż pięć trzecich, więc 6 s razy pięć trzecich równa się 10 s.

Teraz statek leci z 0.6 prędkości światła, a czas własny to 4 sekundy. Co mierzy obserwator na Ziemi?
  • 3.2 s
  • 4.6 s
  • Poprawna odpowiedź: 5 s

Dokładnie! Przy 0.6c gamma równa się 1.25, więc 4 s razy 1.25 równa się 5 s.

Gdzie to widzisz

Satelity GPS wożą zegary, które mierzalnie rozjeżdżają się z zegarami naziemnymi, i system koryguje to każdego dnia — słabsza grawitacja na wysokości przyspiesza zegary satelitów, nieznacznie przewyższając spowolnienie wynikające z ich prędkości orbitalnej. Miony promieniowania kosmicznego, narodzone w górnych warstwach atmosfery, powinny rozpaść się na długo przed dotarciem do ziemi, a jednak przybywają całą lawiną: ich wewnętrzny zegar tyka wolno przy prędkości bliskiej świetlnej.

Częste błędy

Powtarzający się potykacz dotyczy tego, który czas rośnie: czas dylatowany mierzony przez obserwatora zewnętrznego jest ZAWSZE dłuższy od czasu własnego na zegarze samego poruszającego się obiektu — mnożysz przez gamma, nigdy nie dzielisz. Przy 0.8c gamma wynosi 5/3, więc 6-sekundowe bicie serca na statku trwa na Ziemi 10 s; przy 0.6c gamma wynosi 1.25, a 4 s czasu własnego staje się 5 s. Ten sam współczynnik skurcza długości wzdłuż kierunku ruchu.

Jak się to łączy

To otwiera względność, drugi filar fizyki współczesnej obok lekcji kwantowych: żadnych fotonów, żadnych szczebli — tylko stałość prędkości światła, zmuszająca przestrzeń i czas, by układały się wokół niej. Jej najsłynniejszy produkt uboczny, E = Δm · c², pojawia się na końcu modułu przy jądrowej energii wiązania.

Wypróbuj interaktywną symulację

Powiązane koncepcje