Ein Laser
x
→
L
a
s
e
r
{\displaystyle {\vec {x}}_{Laser}}
schießt ein Photon
x
→
P
h
o
t
o
n
{\displaystyle {\vec {x}}_{Photon}}
mit der Geschwindigkeit
c
=
299.792.458
m
s
{\displaystyle c=299.792.458{\frac {m}{s}}}
durch den Raum des Inertialsystems
S
{\displaystyle S}
während er sich mit der unbestimmten Geschwindigkeit
v
{\displaystyle v}
und der Beschleunigung
a
=
0
m
s
2
{\displaystyle a=0{\frac {m}{s}}^{2}}
durch das Inertialsystem
S
′
{\displaystyle S'}
. Der Beobachter
x
→
B
e
o
b
a
c
h
t
e
r
{\displaystyle {\vec {x}}_{Beobachter}}
befindet sich im ruhenden Inertialsystem
S
0
{\displaystyle S_{0}}
(
v
=
0
,
a
=
0
{\displaystyle v=0,a=0}
).
Das Photon
x
→
P
h
o
t
o
n
{\displaystyle {\vec {x}}_{Photon}}
legt die Strecke
c
t
{\displaystyle ct}
und der Laser
x
→
L
a
s
e
r
{\displaystyle {\vec {x}}_{Laser}}
die Strecke
v
t
′
{\displaystyle vt'}
zurück. Die beiden Strecken
c
t
{\displaystyle ct}
und
v
t
′
{\displaystyle vt'}
sind Orthogonal (
c
t
⊥
v
t
′
{\displaystyle ct\perp vt'}
). Der Beobachter
x
→
B
e
o
b
a
c
h
t
e
r
{\displaystyle {\vec {x}}_{Beobachter}}
sieht dabei das Photon
x
→
P
h
o
t
o
n
{\displaystyle {\vec {x}}_{Photon}}
sich auf der Strecke
c
t
′
{\displaystyle ct'}
bewegt (und das
c
t
′
>
c
t
{\displaystyle ct'>ct}
). Dadurch erkennen wir, dass das Inertialsystem
S
{\displaystyle S}
eine Zeitdilatation zum Inertialsytem
S
′
{\displaystyle S'}
aufweist (
t
≠
t
′
{\displaystyle t\neq t'}
) bzw. dass
t
{\displaystyle t}
proportional zu
t
′
{\displaystyle t'}
ist (
t
∼
t
′
{\displaystyle t\sim t'}
), deshalb muss es eine Proportionalitätskonstante bzw. einen Proportionalitätsfaktor
γ
{\displaystyle \gamma }
(Lorentzfaktor) geben.
Durch die Beobachtung entnehmen wir, dass
t
′
=
t
γ
{\displaystyle t'=t\gamma }
und
(
c
t
)
2
=
(
c
t
′
)
2
−
(
v
t
′
)
2
{\displaystyle (ct)^{2}=(ct')^{2}-(vt')^{2}}
.
Nun können wir ausklammern
c
2
t
2
=
c
2
t
′
2
−
v
2
t
′
2
{\displaystyle c^{2}t^{2}=c^{2}t'^{2}-v^{2}t'^{2}}
und mithilfe des Distributivgesetz vereinfachen
c
2
t
2
=
t
′
2
(
c
2
−
v
2
)
.
{\displaystyle c^{2}t^{2}=t'^{2}(c^{2}-v^{2}).}
Dies können wir nun mit
c
2
t
′
2
{\displaystyle c^{2}t'^{2}}
dividieren und direkt vereinfachen
t
2
t
′
2
=
1
−
v
2
c
2
{\displaystyle {\frac {t^{2}}{t'^{2}}}=1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}
,
hieraus können wir dann die Quadratwurzel ziehen
t
t
′
=
1
−
v
2
c
2
{\displaystyle {\frac {t}{t'}}={\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}
.
Wenden wir das von oben an kommt heraus
γ
=
1
1
−
v
2
c
2
{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}
.
Da
a
=
0
m
s
2
{\displaystyle a=0{\frac {m}{s^{2}}}}
und
v
=
c
o
n
s
t
.
{\displaystyle v=const.}
sehen wir
l
′
=
l
1
−
v
2
c
2
{\displaystyle l'=l{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}
(Längenkonvektion)
und
t
′
=
t
1
−
v
2
c
2
{\displaystyle t'={\frac {t}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}
(Zeitdilatation).
Wie schon im erseten Versuch schießt ein Laser
x
→
L
a
s
e
r
{\displaystyle {\vec {x}}_{Laser}}
ein Photon
x
→
P
h
o
t
o
n
{\displaystyle {\vec {x}}_{Photon}}
mit der Geschwindigkeit
c
=
299.792.458
m
s
{\displaystyle c=299.792.458{\frac {m}{s}}}
durch den Raum des Inertialsystems
S
{\displaystyle S}
, während sich der Beobachter
x
→
B
e
o
b
a
c
h
t
e
r
1
{\displaystyle {\vec {x}}_{Beobachter1}}
mit der kenetischen Energie
E
k
i
n
,
B
e
o
b
a
c
h
t
e
r
1
{\displaystyle E_{kin,Beobachter1}}
bewegt und der Beobachter
x
→
B
e
o
b
a
c
h
t
e
r
2
{\displaystyle {\vec {x}}_{Beobachter2}}
vorerst ruht (d.h.
E
k
i
n
,
B
e
o
b
a
c
h
t
e
r
2
=
0
{\displaystyle E_{kin,Beobachter2}=0}
).
Beobachter
x
→
B
e
o
b
a
c
h
t
e
r
1
{\displaystyle {\vec {x}}_{Beobachter1}}
sieht das Photon
x
→
P
h
o
t
o
n
{\displaystyle {\vec {x}}_{Photon}}