Teorija relativnosti in hitrosti svetlobe

V fiziki je splošno znano dejstvo, da se ne morete premikati hitreje od svetlobne hitrosti. Medtem ko je to v bistvu res, gre tudi za preveč poenostavitev. Pod teorija relativnosti, dejansko obstajajo trije načini premikanja predmetov:

• S hitrostjo svetlobe
• Počasnejša od hitrosti svetlobe
• Hitrejša od hitrosti svetlobe

Eno ključnih spoznanj Albert Einstein za razvoj njegove teorije relativnosti je bilo, da se svetloba v vakuumu vedno giblje z isto hitrostjo. Delci svetlobe ali fotoni, zato se premikajte s svetlobno hitrostjo. To je edina hitrost, s katero se lahko premikajo fotoni. Nikoli ne morejo pospešiti ali upočasniti. (Opomba: Fotoni spreminjajo hitrost, ko prehajajo skozi različne materiale. Tako pride do loma, toda absolutna hitrost fotona v vakuumu se ne more spremeniti.) Pravzaprav vse bozoni premikajte se s hitrostjo svetlobe, kolikor lahko povemo.

Naslednji večji delček (kolikor vemo, vsi tisti, ki niso bozoni) se giblje počasneje od svetlobne hitrosti. Relativnost nam pove, da je fizično nemogoče, da bi te delce kdaj pospešili dovolj hitro, da bi dosegli hitrost svetlobe. Zakaj to? Pravzaprav pomeni nekaj osnovnih matematičnih pojmov.

Ker ti predmeti vsebujejo maso, nam relativnost pove, da je enačba kinetična energija predmeta na podlagi njegove hitrosti določimo z enačbo:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / kvadratni koren od (1 - v²/c²) - m₀c²

V zgornji enačbi se dogaja veliko, zato razpakiramo te spremenljivke:

• γ je Lorentzov faktor, ki je faktor obsega, ki se večkrat pokaže v relativnosti. Nakazuje spremembo različnih količin, kot so masa, dolžina in čas, ko se predmeti premikajo. Od γ = 1 / / kvadratni koren od (1 - v²/c²) to povzroča različen videz obeh prikazanih enačb.
• m₀ je preostala masa predmeta, dobljena, kadar ima v danem referenčnem okviru hitrost 0.
• c je hitrost svetlobe v prostem prostoru.
• v je hitrost, s katero se predmet premika. Relativistični učinki so pomembni le pri zelo visokih vrednostih v, zato bi te učinke lahko prezrli že dolgo, preden je prišel Einstein.

Opazite imenovalec, ki vsebuje spremenljivko v (za hitrost). Ko se hitrost bliža in bliža hitrosti svetlobe (c), to v²/c² izraz se bo vedno bolj približal 1... kar pomeni, da je vrednost imenovalca ("kvadratni koren 1 - v²/c²") se bo približal in približal 0.

Ko se imenovalec manjša, se energija sama povečuje in približuje neskončnost. Zato, ko poskušate delček pospešiti skoraj do svetlobne hitrosti, potrebujete vse več energije, da to storite. Dejansko pospeševanje do same svetlobne hitrosti bi zahtevalo neskončno količino energije, kar je nemogoče.

S tem sklepom noben delček, ki se giblje počasneje od svetlobne hitrosti, nikoli ne more doseči hitrosti svetlobe (ali, podaljšati, gre hitreje od svetlobne hitrosti).

Kaj pa, če bi imeli delček, ki se giblje hitreje od svetlobne hitrosti. Je to sploh mogoče?

Strogo gledano je mogoče. Takšni delci, imenovani tahioni, so se pokazali v nekaterih teoretičnih modelih, vendar se skoraj vedno odstranijo, ker predstavljajo temeljno nestabilnost v modelu. Do danes še nimamo eksperimentalnih dokazov, ki bi kazali na to, da tahioni obstajajo.

Če bi obstajal tahion, bi se vedno premikal hitreje od hitrosti svetlobe. Z enakim sklepom kot pri delcih, ki so počasnejši od svetlobe, lahko dokažete, da bi bilo potrebno nešteto energije, da bi tahion upočasnili do svetlobne hitrosti.

Razlika je v tem, da v tem primeru končate s v-term je nekoliko večji od enega, kar pomeni, da je število v kvadratnem korenu negativno. To ima za posledico namišljeno število in niti konceptualno ni jasno, kaj bi dejansko pomenilo imeti namišljeno energijo. (Ne, to je netemna energija.)

Kot sem že omenil, ko svetloba prehaja iz vakuuma v drug material, se upočasni. Mogoče je, da lahko nabito delce, kot je elektron, vstopi v material, ki ima dovolj sile, da se znotraj tega materiala hitreje premika kot svetloba. (Hitrost svetlobe v določenem materialu se imenuje " fazna hitrost svetlobe v tem mediju.) V tem primeru nabito delce oddaja obliko elektromagnetno sevanje to se imenuje Čerenkovo ​​sevanje.

Hitrost omejevanja svetlobe obstaja na en način. Ta omejitev velja samo za predmete, ki se gibljejo skozi vesolje, vendar je to mogoče vesoljski čas da se širi tako hitro, da se predmeti v njem ločijo hitreje od svetlobne hitrosti.

Kot nepopoln primer pomislite na dva splava, ki plavata po reki s stalno hitrostjo. Reka se razcepi na dva veja, po enem splavu pa plava en splav. Čeprav se sami splavi vedno premikajo z isto hitrostjo, se med seboj premikajo hitreje zaradi relativnega pretoka same reke. V tem primeru je reka sama vesoljska.

Po trenutnem kozmološkem modelu se oddaljeni dosegi vesolja širijo s hitrostmi hitreje od svetlobne hitrosti. V zgodnjem vesolju se je s tem tempom širilo tudi naše vesolje. Kljub temu v določenem območju vesolja veljajo omejitve hitrosti, ki jih določa relativnost.

Končna točka, ki jo je vredno omeniti, je hipotetična ideja, imenovana kozmologija spremenljive hitrosti svetlobe (VSL), ki nakazuje, da se je hitrost svetlobe skozi čas spreminjala. To je izjemno sporna teorija in malo je neposrednih eksperimentalnih dokazov, ki bi to podprli. Večinoma je bila predstavljena teorija, ker lahko reši določene težave v evoluciji zgodnjega vesolja, ne da bi se zatekli k teorija inflacije.