De invariante lichtsnelheid en tijddilatatie

Laat zien dat het specifiek de invariante lichtsnelheid is die voor tijddilatatie zorgt.
Een treinpassagier is met een balletje aan het spelen, het balletje rolt van A naar B:
Grafiek
Trein
De trein

De trein beweegt naar rechts met een snelheid vt maar daar merkt de passagier zelf helemaal niets van. De trein, hijzelf, het balletje en alles wat zich in de trein bevindt bewegen zich allemaal met diezelfde snelheid vt naar rechts. De waarneming dat de trein zich vooruit spoedt met een snelheid vt is een waarneming van iemand buiten de trein. De passagier rolt het balletje naar de andere kant van de coupé (loodrecht op de bewegingsrichting) en de snelheid van het balletje noem ik vb. Daarbij wordt een afstand AB afgelegd waarvoor geldt:

Vergelijking

Oftewel:
Vergelijking
En deze vergelijking ga ik links en rechts kwadrateren met het oog op wat nog komen gaat:
Vergelijking
Boer
De boer

In het weiland staat een boer die de trein voorbij ziet komen. Hij ziet ook de treinpassagier die met een balletje aan het spelen is.

Grafiek
Pythagoras
Pythagoras

Hij ziet dat de treinpassagier het balletje naar de andere zijde van de wagon rolt maar hij ziet tegelijkertijd dat de trein in diezelfde tijd een stukje naar rechts opgeschoven is. Vanuit zijn beleving heeft het balletje een afstand A'B' afgelegd waarvoor geldt (met gebruikmaking van de stelling van Pythagoras):

Vergelijking

Oftewel:
Vergelijking
Er is één ding waarover de treinpassagier en de boer volledige overeenstemming zullen hebben: de afstand ∆y. Daarom kan ik de belevingen van de treinpassagier en de boer middels (∆y)2 aan elkaar koppelen als volgt:
Vergelijking
Tot het jaar 1905 ging iedereen ervanuit dat de tijd gelijkmatig voortgaat voor alle bewoners van dit universum, dus ook voor de treinpassagier en de boer:
Vergelijking
Dan kunnen we de tijd gewoon uitdelen en houden we over:
Vergelijking
De boer ziet een hogere snelheid van het balletje omdat vanuit zijn gezichtsveld de snelheid van de trein bijdraagt aan de snelheid van het balletje. En inderdaad, wanneer de treinpassagier en de boer met behulp van wat apparatuur de snelheid van het balletje nameten vanuit hun beider posities dan vinden zij waarden die perfect in overeenstemming zijn met bovenstaande vergelijking (ervanuit gaande dat hun apparatuur niet nauwkeuriger is dan een stuk of tien cijfers achter de komma...).
Man met zaklamp
De treinpassagier met de zaklamp

De treinpassagier is het spelen met het balletje zat en gaat met zijn zaklamp spelen. Nu gaat het niet meer om een balletje maar om lichtstralen. Met c als de snelheid van het licht verandert vergelijking (8) dan in:

Vergelijking

De treinpassagier en de boer hebben echter wel zoveel kennis van natuurkunde dat ze weten dat de lichtsnelheid voor alle waarnemers gelijk is. Met andere woorden:
Vergelijking
Dit confronteert hen met het feit dat vergelijking (9) niet waar kan zijn. De enige uitweg is om hun berekeningen nog eens grondig na te gaan en ze zullen moeten concluderen dat vergelijking (7) ook in twijfel getrokken moet worden! Ze hadden de tijd daarom niet uit mogen delen en dat brengt hen terug bij:
Vergelijking
Dit gecombineerd met (10) geeft:
Vergelijking
Door te stellen dat:
Vergelijking
Dan ontstaat:
Vergelijking
Door ook nog te stellen dat:
Vergelijking
Zo kom ik tenslotte tot:
Vergelijking
De treinpassagier en de boer komen tot de conclusie dat de boer de tijdsvoortgang in de trein met een factor γ ziet vertragen ten opzichte van de tijdsvoortgang bij de boer: tijddilatatie. Maar door het hele verhaal om te draaien, namelijk de boer staat in het weiland met een zaklamp te spelen en de treinpassagier ziet de boer met een snelheid v langskomen, komen ze tot de omgekeerde conclusie. De treinpassagier ziet de tijdsvoortgang bij de boer met een factor γ vertragen ten opzichte van de tijdsvoortgang in de trein. Hoe onvoorstelbaar het ook is, ze zien allebei de tijd bij de ander vertragen met dezelfde factor γ en tevens lopen hun tijden niet gelijk.
Taylor
Taylor

De Lorentz-factor γ heeft geen echte klassieke tegenhanger, anders dan het getal één. Klassiek is tijd immers gewoon tijd en dit gold ook nog voor een aantal andere zaken. In de tabel met Taylor-reeksen vinden we:

Vergelijking

Hiermee kan ik (1 − β2)1/2 ook schrijven als volgt:
Vergelijking
Merk op dat de eerste term gelijk is aan de klassieke waarde en alle volgende termen zijn relativistische bijdragen (die pas significant worden wanneer v in de buurt komt van c):
Vergelijking
Grafiek
De grafiek van (1 − β2)1/2 (de groene lijn),
klassiek (de rode lijn) en relativistisch (de groene lijn)