Dylatacja czasu
Grawitacyjne rozszerzanie się czasu jest pojęciem fizyki dotyczącym zmian w przebiegu czasu, spowodowanych przez ogólną względność. Zegar w przestrzeni kosmicznej porusza się szybciej niż zegar na Ziemi. Ciężkie rzeczy, takie jak planety, tworzą pole grawitacyjne, które spowalnia czas w pobliżu. Oznacza to, że zegar na statku kosmicznym znajdującym się daleko od jakiejkolwiek planety poruszałby się szybciej niż zegar znajdujący się w pobliżu Ziemi.
Różni się to od dylatacji czasowej tłumaczonej szczególną względnością, która mówi, że szybkie obiekty poruszają się wolniej w czasie. Zamknięte satelity, takie jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, poruszają się bardzo szybko na orbicie okołoziemskiej, a więc są spowolnione. Ponieważ ISS znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), dylatacja czasowa ze względu na grawitację nie jest tak silna jak dylatacja czasowa ze względu na swoją prędkość, więc zegar na nim jest spowolniony bardziej niż przyspieszony. Obiekt na orbicie geostacjonarnej porusza się mniej szybko i jest bardziej oddalony od Ziemi, więc grawitacyjna dylatacja czasu jest silniejsza, a zegary poruszają się szybciej niż w LEO. Oznacza to, że inżynierowie muszą wybierać różne zegary na różnych orbitach. Satelity GPS działają, ponieważ wiedzą o obu rodzajach dylatacji czasu.
Przypadek nr 1: W specjalnym przypadku względności, zegary poruszające się wolniej, zgodnie z zegarem stacjonarnego obserwatora. Efekt ten nie wynika z działania zegarów, ale z natury czasu kosmicznego.
Przypadek nr 2: obserwatorzy mogą znajdować się na pozycjach o różnych masach grawitacyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, zegary znajdujące się w pobliżu silnego pola grawitacyjnego pracują wolniej niż zegary znajdujące się w słabszym polu grawitacyjnym.
Dwa dobre zegary będą pokazywać różne czasy w przestrzeni kosmicznej i na Ziemi.
Dowody:
Eksperymenty wspierają oba aspekty dylatacji czasu.
Rozszerzenie w czasie ze względu na prędkość względną
Wzór na określenie dylatacji czasowej w szczególnej względności jest:
Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\i1} {\i1}Delta t'= {\i1}frac {\i1}{\i1}sqrt {\i1-v^{\i2}/c^{\i0},} 
gdzie
Delta t, 
jest to przedział czasowy dla obserwatora (np. tyka na jego zegarze) - jest to tzw. właściwy czas,
Delta t'`,` 
to przedział czasu dla osoby poruszającej się z prędkością v w stosunku do obserwatora,
to względna prędkość pomiędzy obserwatorem a ruchomym zegarem,
c
{\i1}jest prędkość światła.{\i0}
Mógłby też być napisany jako:
Delta t'= Gamma Delta t,} 
gdzie
γ = 1 1 - v 2 / c 2 {\i1}gamma = {\i1}frac {\i1}{\i1}sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\i0},}jest
czynnikiem Lorentza.
Prostym podsumowaniem jest to, że więcej czasu jest mierzone na zegarze w spoczynku niż na zegarze ruchomym, dlatego też zegar ruchomy działa "wolno".
Kiedy oba zegary nie poruszają się względem siebie, dwa razy mierzone są takie same. Można to udowodnić matematycznie poprzez
Δ t ′ = Δ t 1 - 0 / c 2 = Δ t \\Delta t'= \frac \Delta t{\i0}{\i1-0/c^{2}}}}={\i0}Delta t\i0},} 
Na przykład: W statku kosmicznym poruszającym się z prędkością 99% prędkości światła mija rok. Ile czasu minie na Ziemi?
v = 0.99 c {\i0.99c},} 
Δ t = 1 {\i1}styk stylistyczny \i0}Delta t = 1 {\i1},} 
rok
Δ t ′ = ? Delta t'=?| 
Zastępując : Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\i0}Delta t'={\i0}frac {\i0}{\i1-v^{\i0}/c^{\i1}COPY0\i0},}
Δ t ′ = 1 1 - ( .99 c ) 2 / c 2 = 1 1 - ( . 99 ) 2 ( c ) 2 c 2 = 1 1 - ( .99 ) 2 {\i1}Delta t'={\i0}{\i1}frac {\i1}{\i1}sqrt {1-(.99c)^{2}/c^{2}}}}={\i0}{\i1}{\i1}{\i1}sqrt {\i1-{\i0}{\i1}frac {{\i1}(.99)^{\i0}(c)^{\i2}}{c^{\i1}{\i1}frac {\i1}sqrt {\i1-(.99)^{\i1}COPY15} 
= 1 1 1 - 0.9801 = 1 0.0199 = 7.08881205 {\i1} {\i1}displaystyle = {\i1}{\i1}{\i1}frac {\i1}{\i1}{\i1}sqrt {\i1-0.9801}}==frac {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}sqrt {\i0.0199}}= 7.08881205} 
lat
Więc około 7,09 roku minie na Ziemi, za każdy rok w statku kosmicznym.
W zwykłym życiu dzisiaj, dylatacja czasu nie była czynnikiem, gdzie ludzie poruszają się z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość światła, prędkości nie są wystarczająco duże, aby spowodować jakiekolwiek wykrywalne efekty dylatacji czasu. Takie zanikające, niewielkie efekty można bezpiecznie zignorować. Dopiero gdy obiekt zbliża się do prędkości rzędu 30 000 kilometrów na sekundę (67 000 000 mph) (10% prędkości światła), rozszerzenie czasowe staje się ważne.
Istnieją jednak praktyczne zastosowania dylatacji czasu. Dużym przykładem jest utrzymywanie dokładności zegarów w satelitach GPS. Bez uwzględnienia dylatacji czasu, wynik GPS byłby bezużyteczny, ponieważ czas płynie szybciej na satelitach tak daleko od grawitacji Ziemi. Urządzenia GPS obliczyłyby złą pozycję ze względu na różnicę czasu, gdyby zegary kosmiczne nie były ustawione na wolniejszą pracę na Ziemi, aby zrównoważyć szybszy czas na wysokiej orbicie ziemskiej (orbicie geostacjonarnej).
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest grawitacyjna dylatacja czasu?
O: Grawitacyjna dylatacja czasu to pojęcie z zakresu fizyki, dotyczące zmian w upływie czasu, spowodowane ogólną względnością. Występuje, gdy ciężkie obiekty, takie jak planety, wytwarzają pole grawitacyjne, które spowalnia czas w pobliżu.
P: Czym różni się od szczególnej teorii względności?
O: Szczególna teoria względności mówi, że szybkie obiekty poruszają się wolniej w czasie, natomiast grawitacyjna dylatacja czasu mówi, że zegary znajdujące się w pobliżu silnego pola grawitacyjnego biegną wolniej niż zegary w słabszym polu grawitacyjnym.
P: Co się dzieje z zegarami na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS)?
O: Ponieważ ISS znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), jej prędkość powoduje większe spowolnienie zegara niż jego przyspieszenie z powodu grawitacji. Oznacza to, że zegar na niej jest bardziej spowalniany niż przyspieszany.
P: Jak orbita geostacjonarna wpływa na zegary?
O: Obiekt na orbicie geostacjonarnej porusza się wolniej i jest dalej od Ziemi, dlatego grawitacyjna dylatacja czasu jest silniejsza, a zegary poruszają się szybciej niż na LEO.
P: Na co muszą zwrócić uwagę inżynierowie, wybierając różne zegary dla różnych orbit?
O: Inżynierowie muszą wybrać różne zegary dla różnych orbit w zależności od tego, jak bardzo wpływają na nie grawitacja lub prędkość ze względu na ich położenie i odległość od powierzchni Ziemi.
P: Jak działają satelity GPS w odniesieniu do obu rodzajów dylatacji czasu?
O: Satelity GPS działają, ponieważ znają oba rodzaje dylatacji czasu - szczególną względność i ogólną względność - co pozwala im dokładnie mierzyć odległości między miejscami na powierzchni Ziemi pomimo różnic w grawitacji lub prędkości wynikających z ich położenia i odległości od powierzchni Ziemi.
