Teorie relativity a rychlosti světla

Jeden běžně známý fakt ve fyzice je, že se nemůžete pohybovat rychleji než rychlost světla. Zatímco to je v podstatě pravda, je to také přílišné zjednodušení. Pod teorie relativity, existují skutečně tři způsoby, jak se objekty mohou pohybovat:

• Při rychlosti světla
• Pomalejší než rychlost světla
• Rychlejší než rychlost světla

Jeden z klíčových poznatků, že Albert Einstein použitý k rozvoji jeho teorie relativity bylo, že světlo ve vakuu se vždy pohybuje stejnou rychlostí. Částice světla nebo fotony, proto se pohybujte rychlostí světla. To je jediná rychlost, při které se fotony mohou pohybovat. Nikdy nemohou zrychlit nebo zpomalit. (Poznámka: Fotony mění rychlost, když procházejí různými materiály. Takto dochází k lomu, ale absolutní rychlost fotonu ve vakuu se nemůže změnit.) Ve skutečnosti se všechny bosony pohybujte se rychlostí světla, pokud můžeme říct.

Další hlavní sada částic (pokud víme, všechny ty, které nejsou bosony), se pohybuje pomaleji než rychlost světla. Relativita nám říká, že je fyzicky nemožné někdy urychlit tyto částice dostatečně rychle, aby dosáhly rychlosti světla. Proč je to? Ve skutečnosti jde o některé základní matematické pojmy.

Protože tyto objekty obsahují hmotu, relativita nám říká, že rovnice Kinetická energie objektu je na základě jeho rychlosti určeno rovnicí:

E_k = m₀(γ - 1)C²

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

Ve výše uvedené rovnici se toho hodně děje, takže rozbalme tyto proměnné:

• γ je Lorentzův faktor, což je měřítko, které se opakovaně projevuje v relativitě. Označuje změnu v různých množstvích, jako je hmotnost, délka a čas, když se objekty pohybují. Od té doby γ = 1 / / druhá odmocnina z (1 - proti²/C²), to způsobuje odlišný vzhled dvou znázorněných rovnic.
• m₀ je zbytková hmotnost objektu získaná, když má rychlost 0 v daném referenčním rámci.
• C je rychlost světla ve volném prostoru.
• proti je rychlost, kterou se objekt pohybuje. Relativistické účinky jsou znatelně významné pouze pro velmi vysoké hodnoty proti, což je důvod, proč by tyto účinky mohly být ignorovány dlouho předtím, než k němu přišel Einstein.

Všimněte si jmenovatele, který obsahuje proměnnou proti (pro rychlost). Jak se rychlost přibližuje a blíží rychlosti světla (C), že proti²/C² termín se přiblíží a přiblíží k 1... což znamená, že hodnota jmenovatele („druhá odmocnina 1 - proti²/C²") se přiblíží a přiblíží k 0.

Jak se jmenovatel zmenšuje, energie sama se zvětšuje a zvětšuje, přibližuje se nekonečno. Proto, když se pokusíte urychlit částici téměř na rychlost světla, vyžaduje to stále více energie. Vlastní zrychlení na rychlost světla samotné by vyžadovalo nekonečné množství energie, což je nemožné.

Tímto zdůvodněním žádná částice, která se pohybuje pomaleji než rychlost světla, nemůže nikdy dosáhnout rychlosti světla (nebo, po prodloužení, jít rychleji než rychlost světla).

A co kdybychom měli částici, která se pohybuje rychleji než rychlost světla. Je to vůbec možné?

Přísně vzato, je to možné. Takové částice, nazývané tachyony, se objevily v některých teoretických modelech, ale téměř vždy skončily odstraněním, protože v modelu představují základní nestabilitu. K dnešnímu dni nemáme žádné experimentální důkazy, které by naznačovaly, že tachyony existují.

Pokud by tachyon existoval, pohyboval by se vždy rychleji než rychlost světla. Použitím stejného zdůvodnění, jako v případě částic s nižším než světlem, můžete prokázat, že zpomalení tachyonu na světelnou rychlost by vyžadovalo nekonečné množství energie.

Rozdíl je v tom, že v tomto případě skončíte s proti-term je o něco větší než jedna, což znamená, že číslo v druhé odmocnině je záporné. Výsledkem je imaginární číslo a není ani koncepčně jasné, co by imaginární energie skutečně znamenala. (Ne, to je netemná energie.)

Jak jsem již zmínil, když světlo přechází z vakua do jiného materiálu, zpomaluje se. Je možné, že nabitá částice, jako je elektron, může vstoupit do materiálu s dostatečnou silou, aby se v tomto materiálu pohybovala rychleji než světlo. (Rychlost světla v daném materiálu se nazývá fázová rychlost světla v tomto médiu.) V tomto případě nabitá částice emituje formu elektromagnetická radiace to se nazývá Čerenkovské záření.

Existuje jedna cesta kolem rychlosti světelného omezení. Toto omezení se vztahuje pouze na objekty, které se pohybují v časoprostoru, ale je to možné vesmírný čas sám se rozšiřuje takovou rychlostí, že se objekty v něm separují rychleji než rychlost světla.

Jako nedokonalý příklad přemýšlejte o dvou vorech plujících po řece konstantní rychlostí. Řeka se rozvětvuje na dvě větve, z nichž každá pluje po jedné vorě. Ačkoli samotné rafty se vždy pohybují stejnou rychlostí, pohybují se rychleji ve vztahu k sobě navzájem kvůli relativnímu toku samotné řeky. V tomto příkladu je samotná řeka časoprostorem.

Podle současného kosmologického modelu se vzdálený dosah vesmíru rozšiřuje rychleji než rychlost světla. V ranném vesmíru se náš vesmír také rozšiřoval. Stále, v nějaké specifické oblasti spacetime, rychlostní omezení stanovená relativitou platí.

Posledním bodem, který stojí za zmínku, je hypotetická myšlenka zvaná kosmologie s proměnnou rychlostí světla (VSL), která naznačuje, že rychlost světla sama se v průběhu času měnila. Tohle je velmi kontroverzní teorie a existuje jen málo přímých experimentálních důkazů, které by ji podpořily. Teorie byla většinou předložena, protože má potenciál vyřešit určité problémy ve vývoji raného vesmíru, aniž by se uchýlila k teorie inflace.