Teoria relativității și viteza luminii

Un fapt cunoscut frecvent în fizică este că nu te poți mișca mai repede decât viteza luminii. În timp ce asta este pe scurt adevărat, este, de asemenea, o simplificare excesivă. Sub teoria relativitatii, există de fapt trei moduri prin care obiectele se pot mișca:

• La viteza luminii
• Mai lent decât viteza luminii
• Mai rapid decât viteza luminii

Una dintre ideile cheie Albert Einstein obișnuit să-și dezvolte teoria relativității era că lumina într-un vid se mișcă întotdeauna cu aceeași viteză. Particulele de lumină sau fotoni, deci deplasați-vă cu viteza luminii. Aceasta este singura viteză cu care fotonii se pot mișca. Ei nu pot niciodată să accelereze sau să încetinească. (Notă: Fotonii schimbă viteza atunci când trec prin diferite materiale. Așa se face refracția, dar este viteza absolută a fotonului într-un vid care nu se poate schimba.) De fapt, toate bosoni deplasați-vă cu viteza luminii, în măsura în care putem spune.

Următorul set major de particule (din câte știm, toate cele care nu sunt bosoane) se mișcă mai lent decât viteza luminii. Relativitatea ne spune că este fizic imposibil să accelerăm aceste particule suficient de rapid pentru a atinge viteza luminii. De ce asta? Ea se ridică de fapt la unele concepte matematice de bază.

Deoarece aceste obiecte conțin masă, relativitatea ne spune că ecuația energie kinetică a obiectului, pe baza vitezei sale, este determinată de ecuația:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / rădăcină pătrată de (1 - v²/c²) - m₀c²

În ecuația de mai sus se întâmplă multe, deci haideți să despachetați acele variabile:

• γ este factorul Lorentz, care este un factor de scară care apare în mod repetat în relativitate. Indică schimbarea în cantități diferite, cum ar fi masa, lungimea și timpul, când obiectele se mișcă. De cand γ = 1 / / rădăcină pătrată de (1 - v²/c²), aceasta este ceea ce determină aspectul diferit al celor două ecuații prezentate.
• m₀ este masa de rest a obiectului, obținută atunci când are o viteză de 0 într-un cadru de referință dat.
• c este viteza luminii în spațiul liber.
• v este viteza cu care se mișcă obiectul. Efectele relativiste sunt semnificativ semnificative numai pentru valori foarte mari ale vmotiv pentru care aceste efecte ar putea fi ignorate cu mult timp înainte ca Einstein să apară.

Observați numitorul care conține variabila v (pentru viteză). Pe măsură ce viteza se apropie și se apropie de viteza luminii (c), acea v²/c² termenul se va apropia tot mai mult de 1... ceea ce înseamnă că valoarea numitorului („rădăcina pătrată a 1 - v²/c²") se va apropia tot mai mult de 0.

Pe măsură ce numitorul devine mai mic, energia în sine devine din ce în ce mai mare, apropiindu-se infinit. Prin urmare, atunci când încercați să accelerați o particulă aproape de viteza luminii, este nevoie de tot mai multă energie pentru a o face. Accelerarea efectivă la viteza luminii în sine ar necesita o cantitate infinită de energie, ceea ce este imposibil.

Prin acest raționament, nicio particulă care se mișcă mai lent decât viteza luminii nu poate atinge niciodată viteza luminii (sau, prin extensie, să meargă mai repede decât viteza luminii).

Deci, dacă am avea o particulă care se mișcă mai repede decât viteza luminii. Este chiar posibil?

Strict vorbind, este posibil. Astfel de particule, numite tahionii, au apărut în unele modele teoretice, dar aproape întotdeauna ajung să fie eliminate, deoarece reprezintă o instabilitate fundamentală a modelului. Până în prezent, nu avem dovezi experimentale care să indice faptul că tahionii există.

Dacă ar exista un tahion, acesta s-ar mișca întotdeauna mai repede decât viteza luminii. Folosind același raționament ca în cazul particulelor mai lente decât lumina, puteți dovedi că ar fi nevoie de o cantitate infinită de energie pentru a încetini un tahion până la viteza luminii.

Diferența este că, în acest caz, ajungeți cu v-termenul fiind puțin mai mare decât unul, ceea ce înseamnă că numărul din rădăcina pătrată este negativ. Acest lucru are ca rezultat un număr imaginar și nici măcar nu este clar conceptual ce ar însemna cu adevărat o energie imaginară. (Nu, acesta este nuenergie întunecată.)

Așa cum am menționat anterior, când lumina trece dintr-un vid în alt material, aceasta încetinește. Este posibil ca o particulă încărcată, cum ar fi un electron, să poată intra într-un material cu o forță suficientă pentru a se deplasa mai repede decât lumina în acel material. (Viteza luminii dintr-un material dat se numește "." viteza fazei de lumină în acel mediu.) În acest caz, particulele încărcate emit o formă de radiatie electromagnetica asta a devenit numit Radiația Cherenkov.

Există o modalitate de limitare a vitezei de restricție a luminii. Această restricție se aplică numai obiectelor care se deplasează în timp, dar este posibil pentru spațiu timp el însuși pentru a se extinde într-un ritm astfel încât obiectele din el se separă mai repede decât viteza luminii.

Ca un exemplu imperfect, gândiți-vă la două plute care plutesc pe un râu la o viteză constantă. Râul se furcă în două ramuri, cu câte o plută plutind pe fiecare dintre ramuri. Deși plutele în sine se mișcă fiecare în același timp cu aceeași viteză, se mișcă mai repede unul față de celălalt din cauza debitului relativ al râului. În acest exemplu, râul în sine este spațiu.

Sub modelul cosmologic actual, distanțele îndepărtate ale universului se extind la viteze mai rapide decât viteza luminii. În universul timpuriu, universul nostru s-a extins și la acest ritm. Totuși, în orice regiune specifică a spațiului, limitările de viteză impuse de relativitate se mențin.

Un ultim punct demn de menționat este o idee ipotetică lansată numită cosmologie a vitezei variabile a luminii (VSL), care sugerează că viteza luminii în sine s-a schimbat în timp. Aceasta este o extrem teorie controversată și există puține dovezi experimentale directe care să o susțină. În mare parte, teoria a fost propusă, deoarece are potențialul de a rezolva anumite probleme în evoluția universului timpuriu, fără a apela la teoria inflației.