Teória relativity a rýchlosť svetla

Jedným z bežne známych faktov vo fyzike je, že sa nemôžete pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Zatiaľ čo to je v podstate pravda, je to tiež prílišné zjednodušenie. Pod teória relativity, v skutočnosti existujú tri spôsoby, ako sa objekty môžu pohybovať:

• Pri rýchlosti svetla
• Pomalšie ako rýchlosť svetla
• Rýchlejšie ako rýchlosť svetla

Jedným z kľúčových poznatkov, ktoré Albert Einstein používa na rozvoj svojej teórie relativity bolo, že svetlo vo vákuu sa vždy pohybuje rovnakou rýchlosťou. Častice svetla alebo fotóny, preto sa pohybujte rýchlosťou svetla. Toto je jediná rýchlosť, pri ktorej sa fotóny môžu pohybovať. Nikdy nemôžu zrýchliť alebo spomaliť. (Poznámka: Fotóny menia rýchlosť, keď prechádzajú rôznymi materiálmi. Takto dochádza k lomu, ale je to absolútna rýchlosť fotónu vo vákuu, ktorá sa nemôže zmeniť.) V skutočnosti sú všetky bozóny pohybujte sa rýchlosťou svetla, pokiaľ vieme.

Ďalšia veľká skupina častíc (pokiaľ vieme, všetky tie, ktoré nie sú bozónmi) sa pohybuje pomalšie ako rýchlosť svetla. Relativita nám hovorí, že je fyzicky nemožné niekedy urýchliť tieto častice dostatočne rýchlo na to, aby sa dosiahla rýchlosť svetla. Prečo je toto? V skutočnosti ide o základné matematické pojmy.

Pretože tieto objekty obsahujú masu, relativita nám hovorí, že rovnica Kinetická energia objektu, na základe jeho rýchlosti, je určené rovnicou:

E_k = m₀(γ - 1)C²

E_k = m₀C² / druhá odmocnina z (1 - proti²/C²) - m₀C²

Vo vyššie uvedenej rovnici sa toho veľa deje, takže rozbaľme tieto premenné:

• γ je Lorentzov faktor, čo je mierkový faktor, ktorý sa opakovane prejavuje v relativite. Označuje zmenu rôznych množstiev, napríklad hmotnosti, dĺžky a času, keď sa objekty pohybujú. od tej doby γ = 1 / / druhá odmocnina z (1 - proti²/C²), to je príčinou rozdielneho vzhľadu oboch znázornených rovníc.
• m₀ je zvyšková hmotnosť predmetu získaná, keď má rýchlosť 0 v danom referenčnom rámci.
• C je rýchlosť svetla vo voľnom priestore.
• proti je rýchlosť, ktorou sa objekt pohybuje. Relativistické účinky sú zreteľne významné iba pre veľmi vysoké hodnoty proti, a preto sa tieto účinky mohli ignorovať dlho predtým, ako prišiel Einstein.

Všimnite si menovateľa, ktorý obsahuje premennú proti (pre rýchlosť). Keď sa rýchlosť priblíži a priblíži rýchlosti svetla (C), to proti²/C² termín sa priblíži a priblíži 1 čo znamená, že hodnota menovateľa („druhá odmocnina 1 - proti²/C²") sa priblíži a priblíži k 0.

Keď sa menovateľ zmenšuje, samotná energia sa zväčšuje a zväčšuje, blíži sa nekonečno. Preto, keď sa pokúsite zrýchliť časticu takmer na rýchlosť svetla, vyžaduje to viac a viac energie. Skutočné zrýchlenie na samotnú rýchlosť svetla by vyžadovalo nekonečné množstvo energie, čo je nemožné.

Z tohto dôvodu žiadna častica, ktorá sa pohybuje pomalšie ako rýchlosť svetla, nemôže nikdy dosiahnuť rýchlosť svetla (alebo, po predĺžení, ísť rýchlejšie ako rýchlosť svetla).

A čo keby sme mali časticu, ktorá sa pohybuje rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Je to vôbec možné?

Presne povedané, je to možné. Takéto častice, nazývané tachyóny, sa objavili v niektorých teoretických modeloch, ale takmer vždy sa odstránia, pretože v modeli predstavujú základnú nestabilitu. K dnešnému dňu nemáme žiadne experimentálne dôkazy, ktoré by naznačovali, že tachyóny existujú.

Keby existoval tachyón, vždy by sa pohyboval rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Použitím rovnakého zdôvodnenia ako v prípade častíc pomalších ako svetlo môžete dokázať, že spomalenie tachyónu na rýchlosť svetla by vyžadovalo nekonečné množstvo energie.

Rozdiel je v tom, že v tomto prípade skončíte s proti-term je o niečo väčší ako jeden, čo znamená, že číslo v druhej odmocnine je záporné. Výsledkom je imaginárne číslo a nie je ani koncepčne jasné, čo by imaginárna energia znamenala. (Nie, to je nietemná energia.)

Ako som už spomenul, keď svetlo prechádza z vákua do iného materiálu, spomaľuje sa. Je možné, že nabitá častica, ako napríklad elektrón, môže vstúpiť do materiálu s dostatočnou silou, aby sa v tomto materiáli pohybovala rýchlejšie ako svetlo. (Rýchlosť svetla v danom materiáli sa nazýva fázová rýchlosť v tomto médiu.) V tomto prípade nabitá častica emituje formu elektromagnetická radiácia to sa volá Cherenkovove žiarenie.

Existuje jedna cesta okolo rýchlosti obmedzenia svetla. Toto obmedzenie sa vzťahuje iba na objekty, ktoré sa pohybujú v časopise, ale je to možné vesmírny čas sám sa rozširuje takou rýchlosťou, že objekty v ňom sa oddeľujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla.

Ako nedokonalý príklad si predstavte dva rafty plávajúce po rieke konštantnou rýchlosťou. Riečne vidličky sa rozprestierajú na dve vetvy, z ktorých každá pláva po jednej vetve. Aj keď samotné rafty sa vždy pohybujú rovnakou rýchlosťou, pohybujú sa vo vzťahu k sebe rýchlejšie kvôli relatívnemu toku samotnej rieky. V tomto príklade je samotná rieka časopriestor.

Podľa súčasného kozmologického modelu sa vzdialené dosahy vesmíru rozširujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla. V ranom vesmíre sa náš vesmír rozširoval rovnako. V rámci ktorejkoľvek špecifickej oblasti časopriestoru sa stále zachovávajú obmedzenia rýchlosti stanovené relativitou.

Posledným bodom, ktorý stojí za zmienku, je hypotetická myšlienka nazývaná kozmológia s premenlivou rýchlosťou svetla (VSL), ktorá naznačuje, že rýchlosť svetla sa v priebehu času menila. Toto je nesmierne kontroverznej teórie a existuje len málo priamych experimentálnych dôkazov na jej podporu. Teória bola väčšinou navrhnutá, pretože má potenciál vyriešiť určité problémy vo vývoji raného vesmíru bez toho, aby sa uchýlila k teória inflácie.