∆t=∆t'(1-v2/c2)1/2.
Nota: ciò è vero nell'ipotesi della costanza della velocità della luce e dell'invarianza delle leggi della fisica nei sistemi inerziali.
Questa relazione è valida per tutti i sistemi di riferimento inerziali.
Supponiamo quindi di avere due osservatori in moto relativo lungo l’asse X con velocità v. Uno dei due è solidale con un orologio in quiete nel proprio sistema e misura il suo tempo proprio Δt; l’altro, rispetto al quale l’orologio è in moto, misura per gli stessi due eventi un intervallo Δt′.
Ora ∆t si definisce tempo proprio poiché è quello che viene misurato dall'osservatore in quiete rispetto al fenomeno osservato: nel nostro caso il fenomeno osservato è proprio il tempo ∆t dell'orologio in quiete (posto in un punto fissato x del suo riferimento).
È noto che in fisica classica due eventi qualsiasi che accadono nello spazio e nel tempo (x1, t1) e (x2, t2) definiscono un intervallo spaziale ∆x=x2-x1 e uno temporale ∆t=t2-t1: in particolare le distanze tra punti misurate nello stesso istante risultano invarianti, mentre l’intervallo temporale tra due eventi è lo stesso per tutti gli osservatori inerziali.
Nota: nel nostro caso gli eventi segnano il passaggio dell'orologio in moto da un punto di coordinate (x1, t1) ad un altro punto (x2, t2).
In fisica relativistica si definisce invece un altro tipo di intervallo ∆s che è invariante per tutti gli osservatori inerziali*, ed è una sorta di unione degli intervalli di spazio e di tempo dei due eventi:
∆s2=c2∆t'2-∆x'2
dove ∆x' e ∆t' non sono più assoluti ma dipendono dal moto relativo degli osservatori (secondo le trasformazioni di Lorentz).Nota: le coordinate (x', t') con l'apice sono quelle dell'osservatore in moto, mentre per quello in quiete col suo orologio risulta ∆x=0 (vedi oltre).
Il fatto interessante è che nel nostro caso l'intervallo ∆s, detto separazione spazio-temporale tra due eventi, si può esprimere nel sistema in quiete (cioè quello dell'osservatore con l'orologio) semplicemente ponendo ∆x=0 (poiché l'orologio si trova in quiete in questo sistema di riferimento):
∆s2=c2∆t2
dove ∆t rappresenta il tempo proprio dell'osservatore in quiete.Perciò eguagliando le due ultime relazioni risulta:
c2∆t2=c2∆t'2-∆x'2 => ∆t2=∆t'2-∆x'2/c2=∆t'2(1-∆x'2/∆t'2c2).
Se quindi ∆x' rappresenta lo spostamento dell'orologio lungo X' e ∆t' il tempo impiegato a spostarsi, avremo che v=∆x'/∆t' indica la velocità relativa tra i due osservatori; perciò si ottiene:
∆t2=∆t'2(1-v2/c2).
Questa è la stessa equazione già ricavata nel post sopra citato da cui risulta ∆t'>∆t: cioè l’intervallo temporale Δt′, misurato dall’osservatore rispetto al quale l’orologio è in moto, risulta dilatato rispetto al tempo proprio Δt segnato dall’orologio stesso nel suo riferimento.Nota: si ha ∆t'=∆t solo quando v=0 cioè se entrambi gli osservatori sono in quiete uno rispetto all'altro.
Si noti che la relazione ottenuta vale solo per moti inerziali rappresentati da rette nello spazio-tempo (con pendenza v); tuttavia se riduciamo l'intervallo ∆s ad un infinitesimo ds allora si ottiene (in modo del tutto equivalente):
dt=dt'(1-v2/c2)1/2
dove dt e dt' sono i relativi intervalli infinitesimi.Questo risultato non è banale poiché una traiettoria curva di un moto qualsiasi, quindi in generale non inerziale, possiamo suddividerla in infiniti tempi dt' e spostamenti dx' e perciò in infiniti intervalli ds.
Da ciò segue che l'integrale su tutti i tempi infinitesimi dt restituisce il tempo proprio complessivo dell'osservatore solidale con l'orologio:
∆t=∫dt=∫dt'(1-v(t')2/c2)1/2
da cui si ottiene di nuovo ∆t2=∆t'2(1-v2/c2) se v(t')=costante.
Nota: in pratica è come se suddividessimo la curva del moto in infiniti riferimenti inerziali con velocità istantanea v(t') e intervallo ds.
Si osservi che nel nostro caso dt rappresenta il tempo proprio dell’orologio in moto, poiché, in ogni tratto infinitesimo della sua traiettoria abbiamo posto dx=0 (cioè l'orologio è in quiete con questo riferimento) ed integrato su tutti i dt per ottenere il tempo proprio complessivo.
Dall'integrale sopra si deduce di nuovo che ∆t'>∆t essendo (1-v(t')2/c2)<1, cioè il tempo proprio Δt accumulato dall’orologio in moto è minore del tempo Δt′ misurato dall’osservatore inerziale rimasto in quiete.
Si osservi che nel nostro caso dt rappresenta il tempo proprio dell’orologio in moto, poiché, in ogni tratto infinitesimo della sua traiettoria abbiamo posto dx=0 (cioè l'orologio è in quiete con questo riferimento) ed integrato su tutti i dt per ottenere il tempo proprio complessivo.
Dall'integrale sopra si deduce di nuovo che ∆t'>∆t essendo (1-v(t')2/c2)<1, cioè il tempo proprio Δt accumulato dall’orologio in moto è minore del tempo Δt′ misurato dall’osservatore inerziale rimasto in quiete.
L'asimmetria tra i due sistemi risulta evidente solo quando l'osservatore in moto ritorna nel punto di partenza e confronta il suo orologio con quello rimasto in quiete, verificando che ∆t'>∆t (vedi il paradosso dei gemelli).
Nota: si noti infatti che non è possibile il confronto diretto tra due orologi, sincronizzati nello stesso punto, ma poi divisi dal moto relativo inerziale.
Ovviamente se il moto dell'orologio fosse inerziale la situazione sarebbe del tutto simmetrica: le stesse considerazioni si potrebbero applicare all'osservatore in moto che può ritenersi in quiete a tutti gli effetti, supponendo invece in moto l'altro osservatore (per il Principio di Relatività). Perciò è proprio la rottura di simmetria tra i due sistemi che nel nostro caso porta ad esiti verificabili**.
Nota: fatto verificato sperimentalmente ponendo un orologio in moto su un aereo e confrontandolo al rientro con la sua copia rimasta a terra.
Se volessimo studiare il fenomeno dal punto di vista dell'osservatore in moto non inerziale, potremmo utilizzare la teoria della Relatività Generale; si otterranno coerentemente gli stessi risultati sulla dilatazione temporale prima derivati con la sola applicazione della relatività ristretta (come ben mostrato in questo articolo pdf di G.C. D'Amico)***.
(*) Inserendo nel ∆s2 i valori di x' e t' delle trasformazioni di Lorentz si può dimostrare che questo intervallo è un invariante relativistico.
(**) Si può mostrare che l'accelerazione non è la causa della dilatazione del tempo considerando tre osservatori inerziali posti sullo stesso asse: un osservatore in quiete, un secondo in moto inerziale che si allontana e un terzo che si avvicina incrociando quello in allontanamento.
Quando il terzo osservatore incrocia il secondo, sincronizza il suo orologio in volo (senza variare la sua velocità): ebbene anche in questo caso vale la relazione ∆t'>∆t senza che ci siano accelerazioni degli osservatori in moto.
(L'asimmetria è dovuta al fatto che il tempo viene per così dire "trasferito" da un riferimento inerziale all'altro a differenza di quello rimasto in quiete - vedi anche Wikipedia inglese).
(***) In questo caso la situazione non è più simmetrica, poiché l'osservatore è in moto non inerziale e può considerarsi in quiete solo se si introduce un campo gravitazionale fittizio per il principio di equivalenza: è proprio questo campo fittizio che spiega il rallentamento del tempo proprio dt rispetto a dt'!
(Vedi il post "Il Principio di Equivalenza: ma=mg")