Relativitetsteorien og lysets hastighed

Et almindeligt kendt faktum inden for fysik er, at du ikke kan bevæge dig hurtigere end lysets hastighed. Mens det er i bund og grund sandt, det er også en forenkling. Under relativitetsteori, der er faktisk tre måder, objekter kan bevæge sig på:

• Med lysets hastighed
• Langsomere end lysets hastighed
• Hurtigere end lysets hastighed

En af de vigtigste indsigter Albert Einstein brugt til at udvikle sin relativitetsteori var, at lys i et vakuum altid bevæger sig med samme hastighed. Lyspartiklerne eller fotoner, bevæg dig derfor med lysets hastighed. Dette er den eneste hastighed, hvorpå fotoner kan bevæge sig. De kan aldrig fremskynde eller bremse. (Bemærk: Fotoner skifter hastighed, når de passerer gennem forskellige materialer. Sådan bryder brytning op, men det er fotonens absolutte hastighed i et vakuum, der ikke kan ændres.) Faktisk er alle bosoner bevæge sig med lysets hastighed, så vidt vi kan fortælle.

Det næste store sæt partikler (så vidt vi ved, alle dem, der ikke er bosoner) bevæger sig langsommere end lysets hastighed. Relativitet fortæller os, at det er fysisk umuligt at nogensinde accelerere disse partikler hurtigt nok til at nå lysets hastighed. Hvorfor er det? Det udgør faktisk nogle grundlæggende matematiske begreber.

Da disse objekter indeholder masse, fortæller relativitet, at ligningen kinetisk energi af objektet, baseret på dets hastighed, bestemmes af ligningen:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / kvadratrod af (1 - v²/c²) - m₀c²

Der foregår meget i ovennævnte ligning, så lad os pakke disse variabler ud:

• γ er Lorentz-faktoren, som er en skalafaktor, der gentagne gange dukker op i relativitet. Det angiver ændringen i forskellige mængder, såsom masse, længde og tid, når objekter bevæger sig. Siden γ = 1 / / kvadratrod af (1 - v²/c²), dette er, hvad der forårsager det forskellige udseende af de to viste ligninger.
• m₀ er gjenstandens hvilemasse, opnået når det har en hastighed på 0 i en given referenceramme.
• c er lysets hastighed i det frie rum.
• v er den hastighed, hvormed objektet bevæger sig. De relativistiske effekter er kun mærkbar signifikante for meget høje værdier af v, hvorfor disse effekter kunne ignoreres længe før Einstein kom med.

Bemærk nævneren, der indeholder variablen v (til hastighed). Når hastigheden bliver nærmere og tættere på lysets hastighed (c), at v²/c² sigt vil komme tættere og tættere på 1... hvilket betyder, at værdien af ​​nævneren ("kvadratroden af ​​1 - v²/c²") kommer nærmere og tættere på 0.

Når nævneren bliver mindre, bliver energien i sig selv større og større, nærmer sig uendelighed. Derfor, når du prøver at fremskynde en partikel næsten til lysets hastighed, tager det mere og mere energi at gøre det. Faktisk at accelerere til lysets hastighed ville tage en uendelig mængde energi, hvilket er umuligt.

Ved denne ræsonnement kan ingen partikel, der bevæger sig langsommere end lysets hastighed, nogensinde nå lysets hastighed (eller i forlængelse heraf gå hurtigere end lysets hastighed).

Så hvad med hvis vi havde en partikel, der bevæger sig hurtigere end lysets hastighed. Er det endda muligt?

Strengt taget er det muligt. Sådanne partikler, kaldet tachyoner, har vist sig i nogle teoretiske modeller, men de ender næsten altid med at blive fjernet, fordi de repræsenterer en grundlæggende ustabilitet i modellen. Til dags dato har vi ingen eksperimentelle beviser, der tyder på, at der findes tachyoner.

Hvis der findes en tachyon, ville den altid bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Ved hjælp af den samme ræsonnement som i tilfælde af langsommere end lyspartikler, kan du bevise, at det ville tage en uendelig mængde energi at bremse en tachyon ned til lyshastighed.

Forskellen er, at du i dette tilfælde ender med v-term er lidt større end en, hvilket betyder, at antallet i kvadratroden er negativt. Dette resulterer i et imaginært tal, og det er ikke engang begrebsmæssigt klart, hvad det at have en imaginær energi virkelig ville betyde. (Nej, det er det ikkemørk energi.)

Som jeg nævnte tidligere, når lys går fra et vakuum til et andet materiale, bremser det. Det er muligt, at en ladet partikel, såsom en elektron, kan trænge ind i et materiale med tilstrækkelig kraft til at bevæge sig hurtigere end lys inden i dette materiale. (Lysets hastighed inden for et givet materiale kaldes fasehastighed lys i dette medium.) I dette tilfælde udsender den ladede partikel en form for elektromagnetisk stråling det er blevet kaldt Cherenkov-stråling.

Der er en måde at køre hastigheden på lysbegrænsning på. Denne begrænsning gælder kun objekter, der bevæger sig gennem rumtid, men det er muligt for rumtid sig selv til at udvide sig med en sådan hastighed, at genstande inden i det adskiller sig hurtigere end lysets hastighed.

Tænk som to ufuldstændige eksempler på to flåder, der flyder ned ad en flod med konstant hastighed. Floden gaffler sig i to grene, hvor en flåde flyder ned langs hver af grenene. Selvom flåderne selv bevæger sig altid med samme hastighed, bevæger de sig hurtigere i forhold til hinanden på grund af den relative strøm af selve floden. I dette eksempel er selve floden rumtid.

Under den nuværende kosmologiske model ekspanderer universets fjerne rækkevidde ved hastigheder hurtigere end lysets hastighed. I det tidlige univers ekspanderede vores univers også med denne hastighed. Stadig inden for ethvert specifikt område i rumtiden holder de hastighedsbegrænsninger, der pålægges af relativitet.

Et sidste punkt, der er værd at nævne, er en hypotetisk idé fremsat kaldet variabel lyshastighed (VSL) kosmologi, som antyder, at selve lysets hastighed har ændret sig over tid. Dette er en ekstremt kontroversiel teori, og der er lidt direkte eksperimentelle beviser til at støtte den. Mest er teorien blevet fremsat, fordi den har potentialet til at løse visse problemer i udviklingen af ​​det tidlige univers uden at ty til inflationsteori.