Teorija relativnosti i brzine svjetlosti

Jedna poznata činjenica u fizici je da se ne možete kretati brže od brzine svjetlosti. Dok je to u osnovi istina, također je pretjerano pojednostavljenje. Ispod teorija relativnosti, zapravo postoje tri načina na koje se predmeti mogu kretati:

• Brzinom svjetlosti
• Spori od brzine svjetlosti
• Brži od brzine svjetlosti

Jedan od ključnih uvida u to Albert Einstein korištena za razvoj njegove teorije relativnosti je da se svjetlost u vakuumu uvijek kreće istom brzinom. Čestice svjetlosti, ili fotona, stoga se krećite brzinom svjetlosti. To je jedina brzina kojom se fotoni mogu kretati. Nikad ne mogu ubrzati ili usporiti. (Bilješka: Fotoni mijenjaju brzinu dok prolaze kroz različite materijale. Tako dolazi do loma, ali to je apsolutna brzina fotona u vakuumu koja se ne može promijeniti.) U stvari, sve bozoni kretati se brzinom svjetlosti, koliko možemo reći.

Sljedeći veliki skup čestica (koliko znamo, sve one koje nisu bozoni) kreće se sporije od brzine svjetlosti. Relativnost nam govori kako je fizički nemoguće ikad ubrzati te čestice dovoljno brzo da bi dostigle brzinu svjetlosti. Zašto je ovo? Zapravo iznosi neke osnovne matematičke koncepte.

Budući da ti predmeti sadrže masu, relativnost nam govori da je jednadžba kinetička energija objekta na temelju njegove brzine određuje se jednadžbom:

E_k = m₀(γ - 1)c²

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

U gornjoj se jednadžbi događa puno, pa raspakiramo te varijable:

• γ je Lorentzov faktor, koji je faktor skale koji se u relativnosti pokazuje više puta. Označava promjenu različitih količina, poput mase, dužine i vremena, prilikom kretanja predmeta. Od γ = 1 / / kvadrat korijena od (1 - v²/c²), to uzrokuje različit izgled dviju prikazanih jednadžbi.
• m₀ je ostatak mase objekta, dobiven kad je brzina 0 u zadanom referentnom okviru.
• c je brzina svjetlosti u slobodnom prostoru.
• v je brzina kojom se objekt kreće. Relativistički učinci su samo primjetno značajni za vrlo visoke vrijednosti v, zbog čega su se ovi efekti mogli zanemariti dugo prije nego što se Einstein pojavio.

Zapazite nazivnik koji sadrži varijablu v (za brzina). Kako se brzina bliži i bliži brzini svjetlosti (c), to v²/c² pojam će se približiti i približiti 1... što znači da je vrijednost nazivnika ("kvadratni korijen od 1 - v²/c²") približit će se i približiti 0.

Kako se nazivnik smanjuje, sama energija postaje sve veća i veća beskraj. Stoga, kada pokušate da ubrzate česticu gotovo do brzine svjetlosti, za to je potrebno sve više i više energije. Zapravo ubrzanje do same svjetlosti oduzimalo bi beskonačnu količinu energije, što je nemoguće.

Po tom obrazloženju nijedna čestica koja se kreće sporije od brzine svjetlosti nikada ne može dostići brzinu svjetlosti (ili, produžetak, ići brže od brzine svjetlosti).

Pa što ćemo ako imamo česticu koja se kreće brže od brzine svjetlosti. Je li to uopće moguće?

Strogo gledano, moguće je. Takve čestice, nazvane tahioni, pokazale su se u nekim teorijskim modelima, ali gotovo uvijek se uklanjaju jer predstavljaju temeljnu nestabilnost u modelu. Do danas nemamo eksperimentalnih dokaza koji bi ukazivali na postojanje tahiona.

Da postoji tahion, uvijek bi se kretao brže od brzine svjetlosti. Koristeći se istim zaključkom kao u slučaju čestica sporijeg od svjetlosti, možete dokazati da će trebati beskonačna količina energije da bi se tahion usporio do brzine svjetlosti.

Razlika je u tome što u ovom slučaju završavate s v-term je malo veći od jedan, što znači da je broj u korijenu kvadrata negativan. To rezultira imaginarnim brojem, a nije ni konceptualno jasno što bi zaista značilo imati zamišljenu energiju. (Ne, ovo je netamna energija.)

Kao što sam već spomenuo, kad svjetlost prelazi iz vakuuma u drugi materijal, usporava se. Moguće je da nabijena čestica, poput elektrona, može ući u materijal s dovoljno sile da se unutar tog materijala kreće brže od svjetlosti. (Brzina svjetlosti unutar određenog materijala naziva se fazna brzina svjetlosti u tom mediju.) U ovom slučaju nabijena čestica emitira oblik elektromagnetska radijacija to se zove Čerenkovo ​​zračenje.

Postoji jedan način da se ograniči brzina svjetlosti. Ovo ograničenje odnosi se samo na predmete koji se kreću kroz prostor - vrijeme, ali to je moguće za vrijeme razmaka da se širi takvom brzinom da se predmeti unutar nje odvajaju brže od brzine svjetlosti.

Kao nesavršen primjer, razmislite o dva splava koji plutaju rijekom konstantnom brzinom. Rijeka se razdvaja na dvije grane, s jednim splavom koji pliva niz svaku granu. Iako se sami splavovi uvijek kreću jednakom brzinom, oni se kreću brže jedan u odnosu na jedan drugi, zbog relativnog protoka same rijeke. U ovom primjeru sama rijeka je svemirski.

Prema trenutnom kozmološkom modelu, udaljeni dosezi svemira šire se brzinama većim od brzine svjetlosti. U ranom svemiru, naš se svemir također širio ovom brzinom. Ipak, unutar bilo kojeg određenog prostora prostora, ograničenja brzine nametnuta relativnošću vrijede.

Za kraj je važno spomenuti hipotetičku ideju nazvanu kozmologija promjenjive brzine svjetlosti (VSL), koja sugerira da se brzina svjetlosti s vremenom mijenjala. Ovo je krajnje kontroverzna teorija i malo je neposrednih eksperimentalnih dokaza koji bi to podržali. Uglavnom, teorija je iznesena jer ima potencijal da riješi određene probleme u evoluciji ranog svemira bez pribjegavanja teorija inflacije.