É comprovado experimentalmente que a velocidade da luz é constante para qualquer observador, independente de sua velocidade ou da velocidade da fonte luminosa. Foi o que se observou indiretamente no experimento de Michelson – Morley em 1881. Isto também pode ser constatado viajando em aviões supersônicos portando relógios de alta precisão e neste caso o relógio “atrasa”. Partículas de vida média curta, da ordem de frações de segundos, emitidas pelo Sol podem ser detectadas na Terra o que implica aumento em sua vida média!
A dilatação do tempo é uma conseqüência da invariância da velocidade da luz. Considere a seguinte situação: uma pessoa viaja numa nave e passa por outra pessoa em um ponto P. A nave viaja paralelamente a um espelho de modo que o pulso luminoso emitido retorne para o observador de dentro da nave. Observe a figura 01:
Figura 1: na diagonal a trajetória vista pelo observador que está fora da nave e na vertical a trajetória conforme é vista pelo observador que está dentro da nave.
O observador de dentro da nave vê a luz ir e voltar ao longo de uma linha reta perpendicular ao deslocamento da nave. Já o observador que está fora da nave vê a luz se propagar na diagonal, sendo que o pulso luminoso vai em direção ao espelho e depois é refletido pelo mesmo em direção à nave.
Figura 2: figura geométrica formada pela trajetória dos pulsos luminosos vistos pelos observadores: em repouso; em movimento.
Para os dois observadores a velocidade da luz é a mesma. Com base nisto, podemos deduzir a equação que mostra a dilatação do tempo, analisando um dos dois triângulos da figura 2.
Usamos Δt1 para a luz percorrer metade do seu caminho ao longo da linha d, segundo o observador em repouso, fora da nave. Este mesmo intervalo de tempo será usado pra medir o tempo gasto pela nave pra percorrer a distância a.
Será usado Δt2 para o intervalo de tempo gasto para a luz percorrer a distância b, que corresponde à altura do triângulo, segundo o observador em movimento, dentro da nave. Desta forma, teremos:
Podemos deduzir que a distância a, percorrida pela nave, é dada por:
a = v. Δt1 (conforme figura 02)
Para o observador de dentro da nave, o caminho b percorrido pelo pulso luminoso é:
b = c.Δt2 (conforme figura 02)
E para o observador de fora da nave, a distância d percorrida pela luz é:
d = c . Δt1 (conforme figura 02)
Onde v é a velocidade do observador em movimento; c é a velocidade da luz; Δt2 é o intervalo de tempo que passa para o observador em movimento, que será denominado tempo dilatado. Δt1 é o intervalo de tempo transcorrido para o observador em repouso, também chamado tempo próprio.
Podemos aplicar o teorema de pitágoras, sabendo que:
a² + b² = d²
Substituindo pelos equivalentes, obteremos:
v².Δt1² + c².Δt2² = c².Δt1²
c².Δt2² = c².Δt1² - v².Δt1²
Dividimos dos dois lados pelo fator c² e obteremos:
Δt2² = Δt1² - (v²/c²).Δt1²
Δt2² = Δt1²(1 - v²/c²)
Extraindo a raiz quadrada dos dois lados obteremos o tempo para o observador de dentro da nave:
\Delta t_2 = \Delta t_1 \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}
Este resultado mostra que o tempo medido pelo observador de dentro da nave é numericamente menor, o que nos leva a concluir que ele teria sofrido uma dilatação, ou seja, como se cada unidade sofresse uma expansão em relação às unidades do tempo próprio. Lembrando que este último é o intervalo de tempo medido pelo observador considerado em repouso.
No relógio do observador em repouso, seria medido um tempo numericamente maior do que o tempo medido dentro da nave, e este depende do fator:
\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
EISBERG, Robert RESNICK, Robert. Física Quântica – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Tradução de Paulo Costa Ribeiro, Ênio Costa da Silveira e Marta Feijó Barroso. Rio de Janeiro:Campus, 1979