Teoria względności i prędkość światła

Jednym z powszechnie znanych faktów w fizyce jest to, że nie można poruszać się szybciej niż prędkość światła. Chociaż to jest gruntownie to prawda, że ​​jest to nadmierne uproszczenie. Pod teoria względności, istnieją trzy sposoby poruszania się obiektów:

• Z prędkością światła
• Wolniejszy niż prędkość światła
• Szybszy niż prędkość światła

Jednym z kluczowych wniosków, które Albert Einstein użył do rozwinięcia swojej teorii względności, że światło w próżni zawsze porusza się z tą samą prędkością. Cząstki światła lub fotony, dlatego poruszaj się z prędkością światła. Jest to jedyna prędkość, z jaką mogą się poruszać fotony. Nie mogą nigdy przyspieszyć ani zwolnić. (Uwaga: Fotony zmieniają prędkość, gdy przechodzą przez różne materiały. Tak zachodzi refrakcja, ale to absolutna prędkość fotonu w próżni, która nie może się zmienić.) W rzeczywistości wszystkie bozony poruszać się z prędkością światła, o ile wiemy.

Następny duży zestaw cząstek (o ile wiemy, wszystkie te, które nie są bozonami) porusza się wolniej niż prędkość światła. Względność mówi nam, że fizycznie niemożliwe jest przyspieszenie tych cząstek wystarczająco szybko, aby osiągnąć prędkość światła. Dlaczego to? W rzeczywistości jest to kilka podstawowych pojęć matematycznych.

Ponieważ obiekty te zawierają masę, względność mówi nam, że równanie energia kinetyczna obiektu, na podstawie jego prędkości, określa równanie:

mi_k = m₀(γ - 1)do²

mi_k = m₀do² / pierwiastek kwadratowy z (1 - v²/do²) - m₀do²

W powyższym równaniu dużo się dzieje, więc rozpakujmy te zmienne:

• γ to współczynnik Lorentza, który jest współczynnikiem skali, który pojawia się wielokrotnie w teorii względności. Wskazuje zmianę różnych wielkości, takich jak masa, długość i czas, gdy obiekty się poruszają. Od γ = 1 / / pierwiastek kwadratowy z (1 - v²/do²), właśnie to powoduje odmienny wygląd dwóch pokazanych równań.
• m₀ jest masą spoczynkową obiektu, uzyskaną, gdy ma on prędkość 0 w danym układzie odniesienia.
• do to prędkość światła w wolnej przestrzeni.
• v to prędkość, z jaką porusza się obiekt. Efekty relatywistyczne są zauważalnie znaczące tylko dla bardzo wysokich wartości v, dlatego te efekty można było zignorować na długo przed pojawieniem się Einsteina.

Zwróć uwagę na mianownik, który zawiera zmienną v (dla prędkość). W miarę zbliżania się prędkości do prędkości światła (do), to v²/do² termin będzie coraz bliżej 1... co oznacza, że ​​wartość mianownika („pierwiastek kwadratowy z 1 - v²/do²„) będzie coraz bliżej 0.

Gdy mianownik maleje, sama energia staje się coraz większa, zbliżając się nieskończoność. Dlatego, kiedy próbujesz przyspieszyć cząsteczkę prawie do prędkości światła, potrzeba coraz więcej energii, aby to zrobić. Rzeczywiste przyspieszenie do prędkości światła wymagałoby nieskończonej ilości energii, co jest niemożliwe.

Dzięki takiemu rozumowaniu żadna cząstka poruszająca się wolniej niż prędkość światła nigdy nie osiągnie prędkości światła (lub, w konsekwencji, nie przekroczy prędkości światła).

A co jeśli mielibyśmy cząstkę, która porusza się szybciej niż prędkość światła. Czy to w ogóle jest możliwe?

Ściśle mówiąc, jest to możliwe. Takie cząstki, zwane tachionami, pojawiły się w niektórych modelach teoretycznych, ale prawie zawsze kończą się usunięciem, ponieważ reprezentują fundamentalną niestabilność w modelu. Do tej pory nie mamy dowodów eksperymentalnych wskazujących na istnienie tachionów.

Gdyby tachyon istniał, zawsze poruszałby się szybciej niż prędkość światła. Korzystając z tego samego rozumowania, co w przypadku cząstek wolniejszych od światła, możesz udowodnić, że spowolnienie tachionu do prędkości światła wymagałoby nieskończonej ilości energii.

Różnica polega na tym, że w tym przypadku kończysz na v-term jest nieco większy niż jeden, co oznacza, że ​​liczba w pierwiastku kwadratowym jest ujemna. Powoduje to wyimaginowaną liczbę i nawet nie jest koncepcyjnie jasne, co tak naprawdę oznaczałoby posiadanie wyobrażonej energii. (Nie, to jest nieciemna energia.)

Jak wspomniałem wcześniej, kiedy światło przechodzi z próżni w inny materiał, zwalnia. Możliwe jest, że naładowana cząstka, taka jak elektron, może dostać się do materiału z wystarczającą siłą, aby poruszać się szybciej niż światło w tym materiale. (Prędkość światła w danym materiale nazywa się prędkość fazowa światła w tym ośrodku.) W tym przypadku naładowana cząstka emituje postać promieniowanie elektromagnetyczne to się nazywa Promieniowanie Czerenkowa.

Istnieje jeden sposób na ograniczenie prędkości światła. To ograniczenie dotyczy tylko obiektów poruszających się w czasoprzestrzeni, ale jest to możliwe czas, przestrzeń sam się rozszerza w takim tempie, że znajdujące się w nim obiekty oddzielają się szybciej niż prędkość światła.

Jako niedoskonały przykład pomyśl o dwóch tratwach płynących w dół rzeki ze stałą prędkością. Rzeka rozwidla się na dwie gałęzie, z jedną tratwą spływającą po każdej z gałęzi. Chociaż same tratwy poruszają się zawsze z tą samą prędkością, poruszają się one szybciej względem siebie ze względu na względny przepływ samej rzeki. W tym przykładzie sama rzeka to czasoprzestrzeń.

W obecnym modelu kosmologicznym odległe rejony wszechświata rozszerzają się z prędkością większą niż prędkość światła. We wczesnym wszechświecie nasz wszechświat również rozwijał się w tym tempie. Mimo to w dowolnym określonym obszarze czasoprzestrzeni obowiązują ograniczenia prędkości nałożone przez teorię względności.

Ostatnim punktem, o którym warto wspomnieć, jest hipotetyczna idea zwana kosmologią o zmiennej prędkości światła (VSL), która sugeruje, że sama prędkość światła zmieniała się w czasie. To jest niezwykle kontrowersyjna teoria i niewiele jest bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na jej poparcie. Przeważnie wysunięto teorię, ponieważ może ona rozwiązać niektóre problemy w ewolucji wczesnego wszechświata bez uciekania się do teoria inflacji.